Text
                    К. Г. МАРКВАРДТ
ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ


К.г. МАРКВАРДТ ПРОФЕССОР, ДОКТОР ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ ИЗДАНИЕ У тверждено Главным управлением учебными заведениями МПС в качестве учебника для студентов высших учебных заведений железнодорожного транспорта ИЗДАТЕЛЬСТВО «.ТРАНСПОРТ» МОСКВА tsoo
УДК 621 331 В кингс рассмотрены главные задачи системы энергоснабжения электрических железных дорог переменного и постоянного тока и ее взаимодействие с электроподвижным составом Разобраны схемы питания, основные устройства и режимы работы системы энергоснабжения Большое внимание уде- лено вопросам теории прохождения токов по рель- сам и земле, расчету сопротивления тяговой сети, методам определения сечения проводов мощности подстанций, потерь напряжения н потерь энергии в тяговой сети; влиянию электрических дорог на работу энергосистем районных и железнодорож- ных иетяговых потребителей смежных линий раз- личного назначения и подземных сооружений и защите от этих влияний Приведены принципиаль- ные схемы защиты от токов короткого замыкания в контактной сети Книга утверждена Главным управлением учеб- ными заведениями МПС в качестве учебника для студентов высших учебных заведений железнодо- рожного транспорта, Ока также может быть полез- ной и инженерно-техническим работинка.м, связан- ным с проектированием и эксплуатацией устройств энергоснабжения электрических железных дорог. Сводный генплан выпуска учебников, учебных и методиче- ских пособий для вузов к техникумов I06S г.. № 641
ОТ А РА Общеизвестно то колоссальное значение, которое имеет электрическая энергия в развитии и преобразовании народного хозяйства. Ни одни другой вид энергии так легко яе может передаваться на дальние расстояния и преобра- зовываться, как электрическая энергия. Это позволяет вырабатывать электри- ческую энергию на крупнейших электрических станциях, оборудованных со- вершенной техникой при минимальной ее себестоимости. Огромные выгоды народному хозяйству дает использование электрической энергии и для электри- ческой тяги поездов. Давно уже электрификация железных дорог вышла за рамки решения только транспортных задач. Здесь и вопросы баланса топлива в стране, и раз- витие энергосистем, и обеспечение энергией прилегающих к железной дороге районов к т. п. Непосредственно перед XX съездом партии Центральный Комитет КПСС принял решение «О генеральном плане электрификации железных дорога, которым намечено электрифицировать в течение 1956—1970 гг. 40 тыс. км же- лезных дорог. В этом плане отмечается, что электрификация железных дорог яаляется важнейшей государственной задачей, обеспечивающей увеличение провозной способности железных дорог, экономию топлива, повышение куль- туры труда на транспорте и, наконец, улучшение снабжения электроэнергией районов, прилегающих к железным дорогам. Надо отметить, что именно эти районы на необъятных просторах яашей Родины яаляются наиболее обжи- тыми и освоенными, и потому их электрификация играет енно боль- шую роль. В программе КПСС, принятой XXII съездом, указано- «Электрификация, являющаяся стержнем строительства экономики коммунистического общества, играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осущест- влении всего современного технического прогресса... План электрификации страны предусматривает... осуществление массовой электрификации транспор- та, сельского хозяйства, быта городского и сельского населения. Во втором десятилетии электрификация всей страны будет в основном завершена» На 1 января 1965 г в СССР электрифицировано 22 530 км железных дорог (из них 72,5% на постоянном токе), что составляет 17,4°6 от протяженности железных дорог страны. В 1965 г. электрической тягой осуществляется около 4 0 9о всей перевозочной работы железнодорожного транспорта За по- следнее время ежегодно вводится в эксплуатацию более 2 тыс. км электрифици- рованных линяй и к концу 1965 г. их протяженность достигнет около 25 тыс. км, что составит около трети протяженности всех электрифициро- ванных дорог за рубежом. В первый период электрификация железных дорог в нашей стране велась по системе постоянного тока. В настоящее время и для дальнейшей широкой электрификации в качестве основной принята система однофазного тока про мышлениой частоты. В последние годы по этой системе электрифицируется около 70- 80% ежегодно переводимых на электричсскуютягу линий и к концу 1965 г. на переменном токе будет электрифицировано более 8 тыс км
Неирср^к. n нашей стране Внедряются тра11 Ф°Р‘ рмктивгюй мощности, новые сред- яг так повысить экономическую эффективность электрических железных дорог н вы полнить основное требование настоящего времени ко всем отраслям народною хозяйства — сделать все для повышения интенсификации использования ало- жениых средств. Для решения этой задачи необходимо добиться максималыюи экономической эффективности работы устройств энергосн ия при обес- печении высокой их надежности. Не подлежит сомнению, что решение подобных задач, выдвигаемых прак- тикой электрических железных дорог сегодняшнего дня, окажется возможным при значительно более глубоком изучении опыта эксплуатации с целью сбора обильных статистических сведений в при обработке этих сведений строго науч- ными методами математической статистики. Можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время в связи со все возрастающей сложностью расчетов, повыше- нием трабований к их точности (т. е. более глубокому отражению действительно- сти) получат широкое применение всевозможные счетно-решающие устройства, начиная от упрощенных расчетных столов до быстродействующих цифровых электронных машин (дискретного счета) н непрерывно действующих аналого- вых машин. Если в первый период времени их применение будет ограничено областью расчетов при проектировании и исследованиях, то в последующем они найдут себе место в управлении всеми устройствами энергоснабжения, а может быть и всей электрической тяги. Все изложенное выше и, особенно, внедрение системы переменного тока привело к значительному расширению круга вопросов, решаемых при экс- плуатации и проектировании электрических железных дорог, и потребовало внесения больших изменений в программу соответствующего курса. В курсе «Энергоснабжение электрических железных дорог», читаемом в ву- зах МПС, рассматриваются все основные вопросы теории работы, расчета, выбора наивыгоднейших параметров, а также определения показателей работы системы энергоснабжения электрических железных дорог. Данная книга является третьим изданием курса, впервые вышедшего в свет в 1948 г. Второе издание, 1958 г., было значительно переработано В настоящее время нельзя представить себе подготовК) высококвалифици- рованного инженера по электрификмни желыныхдорогбез достаточно глубо- ких представлений, например, в области схем питания дорог переменного тока, несимметричных и несинусовдаяьиых режимов работы тоехфазпой систе- мы, вопросов, связанных с протеканием тока по ветле, влияния электричес- ких дорог на все смежные сооружения. Многочисленные исследовакни пока- зывают, что нанвмее наложные результаты при расчетах системы энергоснаб- жения дает применение математической статистики н теория веооотиостей так как с их помощью наилучитм образом удается отразить илшишя различных факторов на показа™,. райты ScS?3№P^S,Sm“ Необходимо достаточно широко представить к эту сторону Хмса Вопросами теории работы и метонов пягим-.Уо, вопРоса> электрических железных дорог занимаются вс irj’"<'Ргоа|а6жс”ип транспортных вузов. Большая систечап.теская n-Лт'“♦'-W "04™ всех 1чио-11сс.тедовэтельских организаций и в псовую «мется рядом иа- по-исслыовательским шютигуточ жезиз.“чорсль, Всссоюз............ науч- Появился ряд HHTejBX.SSSZXZT’ тра"с"°Рта (В11ИИЖГ). кой стороны, этооблеталозадчуаХ даi актуальным вопросам. С од- .1 некоторые сложности. Объяснение этом?=“ С Л₽У ' ~ и'в!йло 4 можно наити В ТОМ, ЧТО каждым ОТ-
дельный исследователь относительно свободен в выборе средств для решения поставленной задачи и, в .частности, математического аппарата. Вследствие этого при решении сходных задач возникают различные метода, в основу кото- рых кладутся различного характера исходные данные В некоторых случаях исследователи приходят даже к различным выводам. В книге же, которой надлежит выполнять роль учебника, необходимо выдержать более строгую последовательность и связь между различными разделами и, по возможности, дать какой-то основной — единый метод исследования всех явлений н процес- сов. Эти обстоятельства в ряде случаев заставили прибегать к иному методу изложения вопросов по сравнению с тем, как они впервые излагались в отдель- ных сборниках трудов или в журнальных статьях. В некоторых случаях вслед- ствие недостаточной разработки ряда вопросов пришлось специально для дай- ной книги провести такие разработки. Наконец, за истекший период накоплен большой экспериментальный мате- риал, иа основе которого можно оценить ряд применявшихся ранее решений, найти новые решения или наметить пути решения новых задач. Все это привело к необходимости коренным образом переработать книгу в ее третьем издании. Круг вопросов, тяготеющих к данном}’ курсу, сильно увеличился н продол- жает быстро расти. Трудно совместить в одной книге, тем более в учебнике, все вопросы не только теории работы и расчета, но и проектирования и эксплу- атации систем энергоснабжения. Поэтому издано учебное пособие, посвящен- ное проектированию систем энергоснабжения Вышло в свет большое коли- чество научных статей, сборников трудов институтов. Вся эта литература с ус- пехом используется как инженерами, так и студентами при выполнении учеб- ных курсовых и дипломных проектов. В задачу данного курса входит: систематическое изложение применяемых при электрификации железных дорог (отечественных н зарубежных) техни- ческих решений с возможным, по условиям объема курса и уровня существую- щих представлений, критическим их освещением; по возможности глубокое изучение физической сущности процессов и режимов работы; изложение ме- тодов установления количественных зависимостей между показателями рабо- ты и параметрами устройств энергоснабжения. Последнее, как правило, за- канчивается предложением расчетных формул, которые применяются в про- ектной практике или, если это новые формулы, могут быть применены, так как они базируются на тех же основах, что и опубликованные ранее. В том случае, если вывод необходимых формул связан с громоздкими вы- кладками, но ие создает у студентов новых представлений, такой вывод в кни- ге ие приводится, а дается ссылка на соответствующий литературный источник, где могут быть получены необходимые сведения. В соответствии с задачей курса устройства, применяемые в системеэнергоснабжения, даются в книге, как пра- вило, только в припцнпивльяых схемах. Детальное же ознакомление с устрой- ством отдельных аппаратов, приборов, машин или конструкций изучается в смежных курсах (тяговые подстанции и контактная сеть), тесно связанных с данным, и в настоящей книге не рассматривается. Вопросы истории развития электрической тяги к электрификации железных дорог в СССР излагаются в курсах, изучаемых студентами ранее, и поэтому в книге не даются. Справоч- ный материал в той мере, в какой это необходимо и полезно для расширения представлений, дастся при изложении соответствующих разделов. В заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодар- ность коллективу кафедры энергоснабжения железных дорог Омского институ- та инженеров железнодорожного транспорта, взявшему на себя труд по прос- мотру рукописи книги и давшему ряд ценных советов и рекомендаций, а также канд. техн, наук В. А. Кислякову в канд. техн, наук доценту Г А. Минину аа большую помощь при подготовке книги к печати Автор будет очень признателен за все замечания, какие будут направлены по адресу: Москва, Б-174, Басманный тупик, 6а, издательство «Транспорт»
Глава I СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ Ж ЕЛ ЕЗНЫХ ДОРОГ _____________________ § I. СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕИ ТРЕБОВАНИЯ Все системы тит па железных дорогах разделяются на две группы — ав- тономные и неавтономные. К первым относятся системы тяги, при которых ис- точник энергии, питающий движущие механизмы локомотива, находится на самом локомотиве (паровозы, тепловозы, газотурбовозы я аккумуляторные локомотивы), а ко вторым — системы тяги, при которых энергия (электриче- ская) вырабатывается на стационарных установках (электрических станциях) и по проводам передается электрическим локомотивам (электровозам или мо- торвагонному подвижному составу). Передача электрической энергии от генера- торов электрических станций осуществляется через ряд повышающих и пони- жающих трансформаторных подстанций, линий передачи различного напря- жения и тяговые подстанции. На последних электрическая энергия преобразу- ется (по роду тока и напряжению) к ваду» используемому в локомотивах, н по тяговой сети передается к ним. Вся совокупность устройств, начиная от генератора электрической стан- ции и кончая тяговой сетью, составляет систему энергоснабжения электри- ческих железных дорог. От этой системы питаются энергией, помимо собст- венно электрической тяги (электровозы и электровагоны), также все нетяго- вые железнодорожные потребители и потребители прилегающих районов. Возможность комплексной электрификации тяги и района является одним из принципиальных отличий неавтономной системы электрической тяги от всех автономных систем. Поэтому и рассматривать электрификацию железных Дорог надо не только как часто транспортную проблему,,,* „ как сродство рене.шн важи ей народнохозяйственной проблемы ^мектрнфХ’нХй Основная особенность электрической тяги, заключающаяся в том что выработка электрической энергии производится „а стационар,,,.» а гс м’ под” вижных установках, дает колоссальные преимущества этому “и Щ т„™ Ко- ротко они сводятся к следующему. 1 этому виду тяги. Ко 1 Выработка электрической энергии ппоичпппнтг-о ческих станциях, что приводит, как всякое мясошЛ а крупнь,х электри- иию ее стоимости, увеличению к п. д и снижете "Р°из,!ОДстео- к умевшие- 2 . На метрических станциях могут пс,,ользояа?20™ и в частности, хилокалорийные - ветра,,споо^и,^, ° ИИЫ тош,|,“а которых не оправдываются). Электростакш,.mSS ю, (заЧ‘агы "= транспорт но у места добычи топлива, вследствие чегпХп5 ₽У>^атьси «е’юсредствсп- спортировке * след< твке ,егоотпадает необходимость в сготран- 3 Только при электрической тяге может 11 в ближайшем будущем — энергия атомны» ВСПОЛЬЗоваться гидроэнергия 4 Только при электрической тяге9лскФоста”Ш’ft- при электрическом торможении. ожна РекУперацня (возврат) энергии
5. При электрической тяге мощность установки, питающей двигатели локо- мотива, практически не ограничена. Это дает возможность в отдельные периоды потреблять такие мощности, которые невозможно обеспечить на автономных ло- комотивах, вследствие чего электрические локомотивы обладают очень большой перегрузочной способностью. 6- Электрический локомотив (электровоз или электровагон), в отличие от автономных локомотивов, не имеет собственных генераторов энергии. За этот счет он становится дешевле н надежнее. 7. На электрическом локомотиве нет частей, работающих при высоких температурах и с возвратно-поступательным движением (как на паровозе, тепловозе, газотурбовозе), что определяет уменьшение расходов на ремонт ло- комотива. Однако при электрической тяге появляется новое устройство — систе- ма энергоснабжения. Затраты на сооружение системы энергоснабжения даже в той их части, которая вызвана нуждами электрической дороги, как пра- вило, значительно превышают затраты на электроподвнжнон состав. Само собой разумеется, что н надежность работы электрических дорог зависит не только от надежности работы локомотивов, но и в большой мере от надежности работы системы энергоснабжения. Все это приводит к необходимости отнес- тись с особой внимательностью к вопросам надежности и экономичности ра- боты системы энергоснабжения, входящим в проблему повышения надежности и экономичности всей электрической железной дороги в целом. Основной задачей системы энергоснабжения яаляется обеспечение эксплу- атационной работы железной дороги- «Устройства энергоснабжения должны обеспечивать бесперебойное движение поездов с установленными весовыми нормами, скоростями н интервалами между поездами при требуемых размерах движения» [11. Это значит, что должно быть обеспечено бесперебойное снабже- ние электрической энергией необходимого качества; при этом одновременно следует добиваться наименьших народнохозяйственных расходов. Такое требо- вание может быть удовлетворено при соблюдении следующих условий. Во-первых, мощность всех элементов системы энергоснабжения должна быть достаточной для того, чтобы любая потребная каждому локомотиву мощность могла быть получена от системы энергоснабжения без всякой опасности для нее самой, при самых разнообразных условиях работы железнодорожной линии, т. е. при всех возможны?; сочетаниях числа и расположения поездов, возможных в условиях эксплуатации (без учета особых случаев) и допускаемых по услови- ям СЦБ. Во-вторых, чтобы в любой точке линии локомотив мог развить мощность, необходимую для того, чтобы выдержать предписанную ему графиком движе- ния скорость и время хода между раздельными пунктами. При этом необходимо иметь в виду, что вес и скорость движения поезда определяются, исходя из условий полного использования мощности локомотива [6]. Эти задачи могут быть решены только при правильно выбранных парамет- рах системы энергоснабжения, т. е. обеспечивающих работу оборудования в допустимых для него пределах по нагрузке и необходимое качество элек- трической энергии (в первую очередь, уровень напряжения), а также при необ- ходимых резервах в устройстве. Рассмотрим несколько детальнее поставленные требования. Известно, что недопустимое для данного элемента электрической установки увеличение нагрузки может привести к выходу его из строя. С другой стороны, увеличение поминальной мощности любого элемента и, следовательно, допусти- мой для пего нагрузки связано с увеличением затрат. Поэтому необходимо уметь выбирать параметры все?; устройств системы энергоснабжения так, чтобы они бесперебойно работали в течение времени, определяемого их нормальным сро- ком службы и, вместе с тем. требовали минимальных затрат Наряду с этим, в технике вообще, а в технике электрических железных дорог в особенности, неизбежны редко встречающиеся случайные сочетания на- грузок (расположения поездов), вызванные особыми условиями эксплуатации,
например, рас— вон движения и пр- Гаянес0*!?',“ К. пу1г по ПуТП их удовлетворс- снабжения весьма высокие I. ycTVofaI! системы энергоснаб- нив. т. е. “гамьзовалась бы такая Z'”^°X"°n«’iW0 4ac^ времени работы, определяемую иногда долями поонеита Обычно такие редко встречающиеся сочетания нагрузок при вы- стой энергоснабжения вс принимают по внимание, про- пуК жаждав в этих случаях регулируется диспетчером с учетом возмож- постей системы энергоснабжения. Важной задачей системы энергоснабжения электрических дорог является поддержание определенного уровня напряжения иа пантографе. Известно, что передача электрической энергии по проводам связана с некоторым пониже- нием напряжения у потребителя, тем большим, чем больше потребляемая им мощность и чем дальше от питающего центра он расположен. Вследствие этого поезда, удаляющиеся от подстанций, питаются электрической энергией при более низком напряжении, что ведет к понижению скорости движения поезда. На электрических локомотивах, кроме тяговых двигателей, приводящих в движение поезда, располагаются также и другие, так называемые вспомога- тельные машины, выполняющие различные функции (обеспечениеторможения, охлаждения двигателей и др.). Эти машины обеспечивают необходимую произ- водительность связанных с ними устройств только при напряжении не ниже определенного уровня. Поэтому вопрос поддержания определенного уровня напряжения в сети у поезда является жизненно важным для обеспечения нор- мальной работы электрических железных дорог. Силу тяги электровозов и элекгровагонов в зависимости от скорости следует определять, исходя из тяговых характеристик, построенных для на- пряжения на токоприемниках электроподвижного состава переменного тока 25 кв и постоянного тока 3,0 кв (при рекуперации 3,3 кв) (б]. Для обеспечения необходимого общего времени хода поезда установлено, что уровень напря- жения иа токоприемнике электроподвижного состава на любом блок-участке должен быть не менее 21 кв при переменном токе и 2,7 кв при постоянном токе 111. Способы поддержания наоряжения на необходимом уровне (уменьшение расстояния между подстанциями, увеличение сечения проводов, применение всевозможных регулирующих устройств) определяются техническими и эко- номическими соображениями. При этом, добиваясь того, чтобы напряжение графиком движения скорости движения по- 25“'условий случайных скоплений и сочетаний н“ яаго™2«« » ,™1бИ'ЬСЯ чРезвыча™» редко. В этом случае пониже- процесс Г движения ко в скч)сст11' хотл и приведет к замедлению редко они могут Гл по пппян,« того’ ?т0 подобные случаи повторяются очень системы энергоснабжения^ ’ ЧТОбы “ 33™2ТЬ расхода на сооружение эаИ1сетТот^™«ТэтН0СТЬ P36°T“ ’'1№Р«*“ой дороги будут также W'1™3- У™я особое кия nepea^ronSeSя““ дор°™ ” ‘Лс"ис‘ электрическая тяга, как правило работаем и™ ?* ° Учитывая то, что ных магистралях, система резервн™ва™я 1^л^^^,<ТеЛЬИО гРУЗоиапряжеп- В настоящее время резерв выбирается в cnrrS. 6,31113 достат°чйо полной, скими условиями, основанными на опыте В^ТВ”ИСОспециаль11ЬЛ1« техипче- Питание различных железнодорожных J™?™* же потребителей прилегающих к желрчнл» ацИонаРпик потребителей, а так- одной и той же системы энергоснабжения nJ?'Ore Ра1”1О1!Ов осуществляется от оруженин вопросам надежности и экпнпи. ,,.Т0Му прн се проектировании и со- должно уделяться необходимое внимание питания этих потребителей ных потребителей в большинстве случзря пп РИ Этом п,,та,,ие железнодорож- учаев прямо или косвенно связано с па-
дежностыо работы данной железнодорожной линии и должно поэтому обес- печиваться с высокой надежностью. Система резервирования в схемах пита- ния нетяговых потребителей должна выбираться с учетом их характера и зна- чимости. Электрические железные дороги оказывают различные нежелательные влияния на смежные сооружения. Так, на дорогах переменного тока в питающей трехфазной системе нарушается симметрия токов и напряжений, что ведет к понижению располагаемой мощности генераторов и двигателей или умень- шению срока их службы, уменьшению светового потока ламп накаливания или резкому сокращению срока службы. Поэтому должны приниматься меры для ограничения неснмметрии в соответствии с действующими нормами. Токи н напряжения в тяговой сети дорог переменного тока, кроме основной частоты, имеют ряд гармоник иных частот, н все онн оказывают электрическое и маг- нитное влияние на расположенные вблизи линии, нарушая их работу, а иногда и создавая опасность для персонала и оборудования. На линия?: постоянного тока в составе тока тяговой сети также имеются гармонические составляющие, нарушающие работу устройств связи. Поэтому при проектировании системы энергоснабжения приходится принимать специальные меры для ограничения этих влияний. Электрические железные дорога питаются через двухпроводную тяговую сеть, где одним из проводов является контактная подвеска, а вто- рым — рельсовый путь. Последний же не изолирован от земли, вследствие чего большая часть тока течет по земле как по проводнику, присоединенному па- раллельно к рельсам. Если вблизи от железном дороги (на расстоянии даже в несколько километров) в земле уложены металлические трубопроводы или кабели с металлической оболочкой, то протекающие по ним токи приводят к вредным последствиям. Так, на железных дорогах постоянного тока ответвле- ние токов в подземные сооружения может привести к нх разрушению, а кроме того, создает на них потенциалы, иногда представляющие опасность в зонах хранения или налива горючих жидкостей. С последним явлением приходится считаться п на дорогах переменного тока. Особая опасность разрушения от электролитической коррозии грозит транспортным сооружениям (фундамен- там опор, арматуре железобетонных искусственных сооружений и пр ). По- этому для участков постоянного тока защита от электрокоррозии является одной из основных задач. Вопросам уменьшения этих влияний также прихо- дится уделять место при сооружении системы энергоснабжения электрических железных дорог. Надо обратить внимание на одну специфическую особенность работы наибо- лее ответственного элемента системы энергоснабжения — контактной сети. По своей природе эта часть системы энергоснабжения не может иметь резерва и ее обслуживание связано с затруднениями, особенно в условиях густого движения. Поэтому приходится уделять особенно большое внимание надежно- сти ее работы и созданию условий для обслуживания с минимальными наруше- ниями в движении поездов. В большинстве случаев стремятся построить экспл^ - атацию таким образом, чтобы она наименьшим образом отразилась на движении поездов Для этого большую часть работ ведут на сети под напряжением со специально устроенных изолированных платформ, отключают поочередно не- большие участки сети н т. п. Все это создает особо сложные условия для обслу- живающего персонала и требует особого внимания к обеспечению безопасности работ И хотя вопросы обслуживания устройств системы энергоснабжения изу- чаются в смежных курсах, здесь эти вопросы необходимо принимать во внима ние, когда сравниваемые возможные технические решения неравноценны по условиям обслуживания. Как это ясно из отдельных высказанных выше замечании, все изложенные требования могут быть удовлетворены при различных технических ре- шениях Окончательная оценка этих решении осуществляется путем сопостав- ления технических и экономических их качеств, т. е. по степени надежности ре- шения н по затратам. В затратах определяются как капитальные, так н ежегод пыс эксплуатационные расходы. Большую роль шрают затраты в натуральном
в себя все устройства Рис. 1. Принципиальная схема питания электрифицированного участка от элек- трической станции; I—районная алсктричсскпи станция; 2—пови- шиощая трансформаторная подстанция. 3— трахфгаппя пиния передачи; 4—тяговая под- станция; 5—пятоющоя линия (фидер); 6—от- сасывающая линия (фидер). 7—контактная сеть, 8—электрический локомотив; 5—рельсы , „ „«отпей к цветным и черным метвоаы. дефпшп- "X ........Вк "™маз™ возникают столько при проектирова- кому оборудовано.™ 1. и Все лизад ]!( .. ,10 „ „ пр<,цсссе эксилуа- ^Х,^?ь’’Кпоо6осво.аПнЮ. без соответствующей эконо- мнчсской оценки. §2. СХЕМЫ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ Принципиальные схемы питания. При рассмотрении элементов, входящие в систему энергоснабжения электрических железных дорог, схему питания раз- бива1от ^Ч|' ,|(ЛИ виеи]що]о) часть системы энергоснабжения, включающую в себя все устройства от электрической станции до линий передач (вклю- чительно), подводящих энергию к тя- говым подстанциям; 2) тяговую часть системы энерго- снабжения, включающую в себя тяго- вые подстанции и тяговую сеть. Тяговая сеть, в свою очередь, состоит из контакт- ной сети (контактной подвески и усили- вающих проводов), рельсового пути, пи- тающих и отсасывающих линий (фиде- ров), а также других проводов н уст- ройств, включенных в тяговую сеть. Принципиальная схема питания электрической железной дорога от элек- трической станции трехфазного тока по- казана на рис. 1. Устройство тяговой подстанции за- висит от системы электрической тяга, применяемой на железной дороге. Ос- новным элементом оборудования тяговой подстанции являются преобразователь- ные агрегаты. Тнп преобразовательного агрегата определяется системой электри- ческой тяги, т. е. родом тока и напряже- ния, применяемого в контактной сети, а также напряжением и системой тока источника энергии первичной части схемы питания. В реальных условиях, как правило, электрическая железная дорога полу- чает питание от энергосистем, а не от одной электрической станции как пока- зано на принципиальной схеме рис. 1. Объясняется это тем, что электроэнергс- ?^еС™Х03Я1“^0 СТра" МИРЭ В иастоя«Н^ время строится по принципу концентрации производства электрической энергии на крупных электрических районыХ’ К°ТОРЫС ПР“ ПОМОЩ” ЛИПШ‘ ПередаЧИ снабжа«" энергией Хир^ые “ГЛаС"° Праши устройства электроустановок (11УЭ) 121 понимается «... совокупность электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных в So слое общностью режима и непрерывностью процесса вровзводста" uраептедс®,“ электрической и тепловой энергии» По мепе плчпитмо -7,™ И РаспРедсле,,ия пхиттыпашт пгр «г,™ ' 1 Ч е развития энергетические системы охватываю, все большее число электрических станций, а сами эти станнин стпо- втсв ва все возрастающие мощности. Повышение мощно^Тотмл!, !ы"эле Йон- ческих станций и установленных ня них мощ*чхли отдельных электри- капитальные зетраты „а 1 мт утаюа "““О1"'00"- увтаишть совершенные котельные агрегата иозЕю ” пр||Ма"'’ь ““ более косортвые вида топлива. Соедвневве™™^,, Г"СХ0М ,,сп0-’"30,,ать “®- 10 А Ии ллектростаицни в одну систему приносит
весьма большие выгоды, перекрывающие затраты, идущие на сооружение спе- циальных линий передач, соединяющих между собой эти станции. Мощность Электростанции должна быть достаточной, чтобы в любой момент удовлетворить спрос всех потребителей, получающих от нее питание Потреби- тели же в общем случае расходуют в разное время различную мощность, а на некоторое время могут и вовсе отключаться от электрической стадии. Поэтому каждый потребитель характеризуется как общим количеством потребляемой им энергии, так и максимальной потребной! мощностью в отдельные отрезки вре- мени. Ввиду того, что такие максимумы мощности потребителей часто не совпа- дают по времени, максимум мощности, требуемой от электрических станций, как правило, меньше суммы максимумов мощностей потребителей Это обстоя- тельство позволяет тем лучше использовать электрические станции, чем они мощнее, т. е. чем больше к ним подключено потребителей. Еще больший эффект такого использования мощности электростанций достигается соединением не- скольких станций в энергосистему. Рис. 2. Принципиальная схема энергетической системы Для обеспечения необходимой надежности работы на электрических стан- циях предусматриваются резервные агрегаты. Соединение нескольких электри- ческих станций между собой позволяет сократить такой резерв, т. е. еще больше повысить степень их использования. Соединение в одной системе тепловых элект- ростанций и гидроэлектростанций позволяет в многоводные периоды передавать большую часть нагрузки на гидростанции, в отдельных случаях загружая теп- ловые станции только выработкой реактивной энергии, получая тем самым зна- чительную экономию топлива и т. п. Современная мощная электроэнергетическая система (рис. 2) может вклю- чать в себя различные электрические станции, липни передачи различного на- пряжения и соответственно различного напряжения трансформаторные под- станции. Дальнейшим развитием энергосистем является соединение между со- бой отдельных энергосистем специальными линиями передачи, так называемыми линиями межспстемпой связи (рис. 3), дающими по су ществу те же преимущест- ва, что и соединение нескольких станций в одну энергосистему. Реальная схема питания отличается от принципиальной схемы, показанной на рис. 1,еще и тем, что электрическая энергия преобразовывается не на одной, а па ряде подстанций, и питание от энергосистемы одновременно получает ряд локомотивов. Схемы питания электрических железных дорог от энергосистемы весьма разнообразны. Они в большой мере зависят от применяемой системы электрической тяги, а также и от конфигурации самой энергосистемы. На рве. 4-7 показаны схемы питания при трех системах электрической тяги: постоянного тока, однофазного тока промышленной частоты и однофазно П
случаях предполагается, что вдоль же- го тока пониженной aJ„ длЯ питания тяговых подстанций, лезиодорожпых линии идет лин ре сооружении энергосистемы и про- Так это обычно и бывает при ^^“"^.^^ередачп 110 кв, 50 гц (кроме ведении электрифимши жданок доро и Л I Р стемы Энергосистема рис 6, где частота 16-/.гЧ) получает:питан е ст » й сети 110 ке здесь уелся» изображена схемой, еои^йя^^ ддя говой сети показано равным номинальному напряжению ... чинах гм ^cTcJcMa постоянного тока. Основные достоинства системы постоянного тока определяются качествами сериесного двигателя тока, характеристика которого в большем мере удовлетворяет требова! я. » предъявляемым к тяго- тока, характеристика которого в большей Энергосистена н°2 Рис. 3. Соединение двух энергосистем линией меженстем- ной связи вым двигателям. Существенным недо- статком системы посто- янного тока является от- носительно невысокая величина напряжения, применяемого в тяго- вой сети, лимитируемая максимально допускае- мым напряжением на коллекторе тягового дви- гателя. В настоящее вре- мя тяговые двигатели для электровозов н элек- тропоездов постоянного тока в основном строятся на напряжение 1 500 е (или незначительно больше), при этом в тяговой сети напряжение может быть равно 3 000—3 300 в*. При таких величинах напряжения расстояния между подстан- циями на грузонапряженных дорогах получаются, как правило, в пределах 20—25 км для напряжения 3 000 в и 10—15 км для напряжения 1 500 в, причем я при таких расстояниях сечения проводов сравнительно с другими системами тока и напряжения все же получаются в 2—3 раза большими, востолько же раз больше потери энергии в проводах. Недостатком системы постоянного тока при практически применяемых схемах являются также и большие потери энергии в пусковых реостатах при разгоне поезда. Это замечание относится, главным образом, к пригородному дви- жению, где удельный вес пусковых потерь достигает большой величины (IS- IS0») от общего расхода энергии на движение поездов. Влияние нагрузок тяговой сети на смежные линии при системе постоянно- го тока относительно невелико и легко устранимо. Иначе обстоит дело с элект- ролизом подземных сооружений, что является специфической особенностью и одним из существенных недостатков системы постоянного тока. В настоящее время для борьбы с этими явлениями разработан ряд эффективных мероприя- тий, значительно уменьшающих опасность разъедания подземных сооружений Питание участков железных дорог постоянного тока (рис. 4) производится от энергосистемы, а преобразование энергии может осуществляться при помощи ртутных и полупроводниковых выпрямителей, двигатель-генератороп или одпо- якорных преобразователен. первыеиастаишкпостомтоготока обтрулмилвсь, в осиотиом, лвпгатель- генераторамк Невысокий к. п. л. двигатель-геиераторов привел к тому, что яхт" с™’°- «° 12
уже да 1914 г. ах стали вытеснять одаояхорпые преоСразовэтели (при напря- женнях не выше 1 200 в, так как на большую величину напряжения трудно бы- ло строить эти машины). В последующем двигатель-геператорныс подстанции начали применяться более широко. Возвращение к этим машинам объяснялось, тем, что на электрифицированных участках стали применяться более высокие напряжения постоянного тока: 1 500, 2 000, 2 400, 3 000 п даже 4 000 в. Дви- гатель-генератор ы представляют собой механически соединенные двигатель трехфазного тока (синхронный или асинхронный) и генератор постоянного то- ка необходимого напряжения. При напряжении постоянного тока в контактной сети выше 1 500 в последовательно соединяются два генератора, сидящие на одном валу с двигателем. Питание двигателя при напряжении в сети перемен- ного тока выше 64-10 кв производится через трансформатор. Двпгатель-гепе- раторы устанавливались, главным образом, на подстанциях тех участков маги- стральных железных дорог, где применялась рекуперация энер- гии, так как в то время только этим способом обеспечивался возврат энергии во внешнюю часть системы энергоснабжения. Двнгатель-генераторы имеют ряд достоинств: широкие пределы регулирования напряжения по- стоянного тока; высокий коэф- фициент мощности и возмож- ность его регулирования у дви- гатель-геиераторов с синхронны- ми двигателями; удобство воз- врата энергии в первичную сеть при рекуперации и большой за- пас энергии (кинетической), об- легчающий условия работы пер- вичной сети при толчкообразных Рис. 4. Принципиальная схема питания дороги постоянного тока- I—районная трансформаторная подстанция; 2—районная электрическая станция трехфазкого тока; 5—разветвлен- ная райоиизя сеть высокого напряжения; 4—тяговые подстанция с ртутными преобразователями (выпрямите- лями); S—контактная сеть; 6—рельсы нагрузках. Однако эти достоин- ства не перекрывают их недостатков по сравнению с ртутными преобразова- телями: большую стоимость, большие габариты и вес, требующие тяжелых фундаментов (т е. также приводящие к у ичению стоимости) и низкий к. п. д (особенно при малых нагрузках). ‘ «гдел По этим причинам ртутные выпрямители получили наибольшее распростра- нение в качестве преобразователей переменного тока в постоянный. Наличие сеточного управления в ртутных преобразователях позволяет регулировать на- пряжение выпрямленного тока, осуществлять защиту при коротких замыканиях н обратных зажиганиях, а также преобразовывать постоянный ток в перемен- ный (при применении на линии рекуперативного торможения). В настоящее время все большее распространение для преобразования пе- ременного тока в постоянный приобретают полупроводниковые выпрямители. В эксплуатации находятся опытные агрегаты, а за границей некоторые линии полностью оборудованы этими устройствами. Появившиеся в последнее'время управляемые полупроводниковые преобразователи открывают еще более широ- кую возможность для их применения в области электрификации железных дорог. На дорогах постоянного тока различают централизованную и распреде- ленную схемы питания. Основное различие этих схем заключается в числе агрегатов на подстанциях и методах резервирования их мощности. При схеме централизованного питания число агрегатов подстанции ие менее двух. При схеме распределенного питания все подстанции одноагрегатные. При выходе из работы одного агрегата во всех случаях должны обеспечиваться нормальные размеры движения. В первой схеме при выходе из строя одного агрегата нагруз- ку берут на себя оставшиеся в работе (для чего предусматриваются резервные
ягпегаты) и число подстанций не изменяется- Во второй схеме выход агрегата есть№<И ю строя подстанции .1, ввдовательно, смежные полет™- ют дХ,... иметь еоогвейгеующют запас мощное™ для того, чтобы <Леспе- жда едмальпые размеры движоопя. Следоыпелы.0, о первой схеме резерв предусматривается на случай отключения агрегата, а во второй — на случаи оКЖеиия подстанции. Таким образом, схема распределенного питания ба- зируется „а сознательном отказе от резервирования оборудования подстанции по халам и переходе к резервированию подстанций целиком. Такое различие в числе агрегатов и отсюда в способе резервирования мощ- ности ведет к целому ряду других отличий одной схемы от другом. Для того чтобы при схеме распределенного питания с одной отключенной подстанцией можно было обеспечить нормальные размеры движения, необходимо, чтобы подстанции располагались значительно ближе друг к другу, нежели при схеме централизованного питания (обычно в 24-2,5 раза). Следовательно, мощность каждой подстанции в этом случае будет соответственно ниже, а число подстан- ций больше. Такая схема вследствие большего числа подстанций становится целесообразной! только при автотелвуправленин подстанциями и при условии максимальной их унификации и упрощения, что при одноагрегатных подстан- циях легко может быть достигнуто. В рассматриваемой схеме требуется меньшее сечение проводов контактной сети, уменьшаются потери энергии и потери на- пряжения Эти качества являются главнейшими преимуществами схемы распределенного питания. Само собой разумеется, что схема распределенного питания при сопоставлении ее со схемой централизованного должна иметь не мепьшую обеспеченность необходимого уровня напряжения. Кроме того, при распределенном питании значительно облегчается защита от токов короткого замыкания в тяговой сети, уменьшаются потенциалы рельсов относительно земли, а следовательно, и опасность разрушения подземных сооружений блуж- дающими токами, упрощается организация питания электрической энергией нетяговых потребителей. Интересный опыт по проектированию и сооружению одноагрегатной под- станции упрощенного топа с ртутными выпрямителями в неотапливаемом по- мещении проведен на одной из дорог Сибири. В инструктивно-методических ука- заниях Трансэлектропроекта отмечается, чго применение дешевых одноагрегат- ных телеуправляемых подстанций с кремниевыми выпрямителями при схеме распределенного питания сделает систему электрической тяги постоянного тока более совершенной. Аналогичная схема применена на французских, англий- ских и польских дорогах. В настоящее время в Советском Союзе в связи с переходом кэлектрификашш по системе однофазного тока промышленной частоты электрификация новых линий на постоянном токе распространяется, в основном, на продолжение линии, уже электрифицированных по системе постоянного тока. Система однофазного тока промышленной ч а- tj>t ы 50 щ. Основным преимуществом этой системы по сравнению с снеге- мои постоянного тока является возможность применения более высокого на- пряжения в контактной сети (в СССР пронято напряжение 27 5 « па ..„„.ах подстапшш) с .нжнжеппем его с помощью трансформаторов, установленных на локомотивах При этом тяговою полотнищ. превращаются в простые транс- форматорные. а сеченое контактной сети значителы.о уменьшается даже при больших расстояниях между подстанциями (40—60 ки). р ” ЭТ™ с,,стеме оказалось создание рашюнальной коп- raSSnJo™ д“1|га™я промышленной частоты. Поэтому ..апбольшее ?ST™X™„P!’K^‘KK'' "оключптслыюе, получил элеетроподаоиой SSlM™ постоянного тока .. выпряьштслыюй (статической) уста- оовэть наютХ™ Тра'лформ'^огы этой установки позволяют регул,,- ровать напряжение на двигателях под нагрузкой. т ,£ИСЗеМа ?Ром«шле”пой частоты дает возможность питать однофазную сеть от тре.хфазвои райо.,ной сети через трансформаторы Од"ахо пр такой схож' ...паяяя практически неизбежна различная нагрузка фи первичной сиотмы
Рис. 5, Принципиальная схема питания дороги однофазного тока промышленной частоты 4—тяговые трансформаторные подстанции; остальные обозначении те же. что на рнс. 4 энергоснабжения, вызываемая однофазной тяговой нагрузкой. Несимметрия нагрузки приводит к ухудшению работы первичной системы (генераторов, трансформаторов, линий передач, релейной защиты). При мощных энергоси- стемах обычно тяговая нагрузка составляет небольшую долю от всей нагрузки системы. В этих случаях несимметрия тяговой нагрузки не играет существен- ной роля в работе системы. Влияние тягового тока на линии слабого тока и не- обходимость принятия дорогих мер защиты уменьшают эффективность этой системы. Это соображение частично теряет силу, если линии связи были каблированы до электрификации. При электрической тяге на однофазном токе промышленной частоты прин- ципиальная схема питания (рис. 5) получает тот же вид, что и выше (см. рис. 4), с той, однако, разницей, что число подстанций уменьшается и сами подстанции упрощаются. Здесь могут быть использованы трехфазные, однофазные или трехфазно-двухфазные трансформаторы. При системе однофазного тока также возможна схема распределенного питания с однотрансформаторными тяговыми подстанциями. Подобная схема осуществлена, например, на од- ной из японских железных дорог. Система однофазного тока промышленной частоты принята как основная для дальнейшей электрификации железных дорог в СССР, а также в ряде зару- бежных стран — Франции, Япо- нии (при частоте 60 гц), Англии п др. Протяженность электриче- ских железных дорог, работаю- щих на однофазном токе про- мышленной частоты, пока еще сравнительно невелика, так как широкое применение эта систе- ма стала получать только после второй мировой войны. Система однофазно го ток а поя и жени о и частоты 163/3 и 25 гц. Преимуществоэтоп системы по сравнению с системой постоянного тока то же, что и в системе однофазного тока промышленной частоты, т. е. возможность применения более высокого напряжения в контактной сети. Ре- зультатом этого является увеличение расстояний между подстанциями (до 40—60 /си) н уменьшение сечения контактной сети. В качестве тяговых двигателей на дорогах однофазного тока пониженной частоты применяют коллекторные даигател и, имеющие тяговые характеристики, близкие к характеристикам двигателей постоянного тока. Подвижной состав, работающий па пониженной частоте, как и при промышленной частоте, позволяет регулировать напряжение на клеммах тягового двигателя путем изменения коэффициента трансформации трансформатора, установленного на подвижном составе. Недостатком коллекторных двигателей является невысокий коэффициент мощности (0,8—0,88), при трогании же с места коэффициент мощности падает еще ниже (0,3—0,4). В результате вся система однофазного тока пониженной частоты имеет низкий коэффициент мощности, порядка 0,6. К недостаткам системы относится также сильное влияние на линии связи, слож- ность рекуперации энергии. Питание районных и нетяговых железнодорожных потребителей (работающих на стандартной частоте) от электрифицированных железных дорог пониженной частоты весьма затруднительно. При работе электрифицированной дороги на однофазном токе пониженной частоты применяют две схемы питания. В первой из них (рис. 6) энергия полу- чается от электрических станций пониженной частоты, построенных специально для нужд дороги (или от отдельных агрегатов пониженной частоты, устаивали- 15
вэемых на общих районных станциях трехфазного тока промышленной частоты), а также через преобразовательные подстанции от энергоснабжающей системы района Те н другие работают параллельно на однофазную линию передачи вы- т г г сокого напряжения, от кото- 3^ 50 ги, 220-500кВ Рис. 6. Принципиальная схема питания дороги одно- фазного тока пониженной частоты с сосредоточен- ным преобразованием энергии: /—районная трансформаторная подстанция трехфаэяого то- ка промышленной члсготы; 2—рлПоииая элсктркческэя стан- ция трсхфозиосо тока; £—разветвленная районная сеть вы- сокого напряжения- 4—подстанция с вращающимися преоб- разователями частоты; 5—тяговые трансформаторные под- станции однофазного тока пониженное частоты; С—контакт- нпя сеть; 7—рельсы: 8—«собственная» электрическая стан- ция (поняжеиноП частоты); 9—объединенная электрическая станция с гсяерлторлык промышленаой и пониженной ча- ные и промышленные сети имеют напряжение, значительно превышающее до- пустимое для преобразователя. Точно так же и к тяговой сети преоб- разователи присоединяют через трансформаторы. Преобразование числа фаз и частоты может производить- ся при помощи синхронио- еннхронного или асинхронно* синхронного двигатель-гене- ратора. Могут применяться и другие вращающиеся машины, например, коллекторный и од- ноякорный преобразователи. Как и при выпрямлении переменного тока, существен- ным недостатком вращающих- ся преобразователей, кроме больших капиталовложений, является еще и низкий к. п д.» значительно увеличивающий расходы по эксплуатации. По- этому была исследована воз- можность преобразования чи- сла фаз и частоты при помо- щи статических (ртутных) преобразователей!. Ртутный преобразователь с управляющими сетками, а ныне и управляемые полупроводниковые преобразователи при соответствующей схеме включения тпь-П1^ППИаЛЬН- S?1^ слУЖит* для преобразования трехфазного переменного ка с частотой 50 ец в однофазный с частотой J6Vа ец. Однако эта задача еще рой через трансформаторные подстанции питается тяго вая сеть. Если же принято пи- тание только от энергосисте- мы района, то схема по суще- ству сохраняет тот же вид, что и показанная на рис. 6. Отли- чие будет лишь в отсутствии в схеме специальных электро- станций. Такую схему назы- вают схемой с сосредоточен- ным преобразованием энер- гии. Во второй схеме (распре- деленного преобразования энергии) каждая подстанция оборудуется преобразонате- лямн частоты и числа фаз (рис. 7). Такая схема приме- нена, например, на шведских железных дорогах. Присоеди- нение преобразователей к пер- вичной сети обычно прихо- дится производить через тран- сформаторы, так как район- 3^ 50 гц; 220+500к8 Рис. 7. Принципиальная схема литания дороги од- нофазного тока пониженной частоты с распределен- ным преобразованием энергии: 4— тяговые подстанции с оращаюишмися прсобрт.зоиатсляыи частоты; остелышс,обоз>щч<зши те же. что не ряс. 4 1б
ие получила удовлетворительного технического решения и такие преобразова- тели на электрических железных дорогах не применяются. На пониженной частоте работает большое количество электрифицированных дорог Европы (в основном, 161 2/з гц) и Америки (в основном, 25 гц). Напря- жение в тяговой сети на дорогах Европы от 11 до 16 кв, на американских до- рогах 11,0 кв. В условиях СССР, где одновременно решается проблема элект- рификации транспорта и прилегающих районов, отмеченные выше недостатки системы переменного тока пониженной частоты делают ее неприемлемой. Система трехфазного переменного тока. Основ- ным преимуществом системы трехфазного переменного тока яаляется простота питания тяговой и районной трехфазной сети. Положительным качеством систе- мы является также и то, что при ней достигается равномерная нагрузка фаз первичной сети. Главным недостатком системы является сложная двухпровод- ная контактная сеть (третьим проводом трехфазной тяговой сети являются рельсы), вызывающая особенные затруднения на больших станциях. Если в тяговой сети используется трехфазный ток пониженной частоты, то так же, как и при однофазном, либо передают энергию вдоль линии от осо- бых железнодорожных электрических станций, вырабатывающих ток понижен- ной частоты, н трансформируют ее на специальных понизительных тяговых подстанциях, либо получают энергию от сети промышленной частоты через тяговые подстанции, преобразующие частоту и напряжение. Если участок же- лезной дороги электрифицирован на трехфазном токе промышленной частоты, то присоединение тяговой сети к общей может быть произведено при помощи специальных тяговых трансформаторов, так как одним из проводов трехфаз- ной тяговой сети является рельсовый путь, не изолированный от земли. В настоящее время система трехфазного тока на новых линиях не приме- няется, а на действующих в [некоторых странах заменяется системами с одно- проводной сетью. Ниже мы на ней останавливаться ие будем. Схемы присоединения тяговых подстанций к линиям передачи *. Надеж- ность питания электрической тяги и районных потребителей зависит от надеж- ности схемы питания тяговых подстанций и от надежности работы самих под- станций. То н другое, в основном, определяется способом н степенью резервиро- вания элементов системы энергоснабжения. Так как увеличение резерва, как правило, связано с дополнительными затратами, то установлена [21 опре- деленная классификация потребителей по степени их ответственности. Всего установлено 3 категории н электрические железные дороги отнесены к 1-й ка- тегории, т. е. к самым ответственным потребителям 131. К 1-й категории отно- сят 121 «... электроприемники, нарушение энергоснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение оборудования, массовый брак продукции, расстрой- ство сложного технологического процесса, нарушение особо важных элементов городского хозяйства», и далее: «Электроприемникн 1-й категории должны обес- печиваться электроэнергией от двух независимых источников питания, и пере- рыв их электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического ввода резервного питания». Схема питания тяговы?; подстанций от энергосистемы на дорогах СССР [31 во всех случаях должна иметь такое построение, при котором выход из рабо- ты одной из районных подстанций или линии передачи на электрифицированном участке длиной 1604-200 кл мог бы явиться причиной выхода нз строя не более одной тяговой подстанции. Схема питания тяговых подстанций выбирается в зависимости от конфи- гурации районной сети, расположения электрических станций п подстанций, имеющегося у них запаса мощности, возможности их расширения и т. п. При этом, как правило, стремятся иметь схему двустороннего литания тяговых подстанций. Если осуществление такой схемы требует значительных затрат, то в отдельных случаях от нее отказываются и питают подстанцию только от одного источника. В последнем случае для обеспечения необходимой надежности 1 До конца § 2 написано совместно с В. А. Кисляковым и Г. А. Мининым 2 К. Г. Марквардт 17
... п ими я ми передачи или одной ssssswa.г.— —•— госистемой конфигурация зР .1|16о обобщающие схемы питания та- В этом случае заруднител..податькаме схемы гаМоГ, жргоснсте- говых щдеташши. так как«о"ЫЩК ро» «И » развитая. Отметим только. :===|=abjZ™Z: „ о й'линин передачи (рис. 8 и 9) да цепи лшши заводятся (с помощью исто- Рис. 8. Схемы двустороннего питания тяговых подстанций пе- ременного и постоянного тока от двухцепной линии передачи при одной (а), двух (6) и трех (е) промежуточных подстанциях: /—электрическая станция (или районная подстанция); 2—двухцепией линяя передачи ПО кв; 3—опорная тяговая подстанция. 4—промежу- то'пшп тяговая подстанция па отпайка: S — пронежуточнпя проходная тяговая подстанция вых выключателей) только на так называемые опорные тяговые подстанции. Все остальные подстанции, называемые промежуточными, либо получают пита- ние через отпайку, либо включаются в рассечку линии передачи поочередно к разным цепям линии. Как отпаечные, так и проходные (включенные в рассечку линии) подстан- ции не имеют силовых выключателей и присоединяются к линии через разъеди- нители и отделители. Отказ от силовых выключателей на промежуточных под- станциях удешевляет последние, ибо стоимость ввода, оборудованного выклю- чателем, весьма значительна. Отпаечные а проходные подстанции чередуются между «Лой таким обра- зом, чтобы выполнялось приеденное выше требование о том что пи любой аварии на линии передачи (даже одновременном повреждении двух цтет л“ ин) не должно отключаться более одной подстанции Это дитагдатш те” что при двух к более промежуточных подстанциях ГмД™? Достигается тем. ме питания предусматривается включение двух из ппZ <[ ICT>’"JMll> в схе' Как видно из рас. 8 я 9. выход из ст»„ „ч‘J “ Раечку линии, передачи па любом участке между проходными '™"IIW электР°' к длительному отключению 1<н одна’, подстаишш “дста,|Ш|п™ "С ведет пые подстанции могут получать таташю от непода1™»КаК ““ г1Ромсжуто'и Если же аварии произойдет на обеих HeiS^S “ y‘laCTKOh- на длительное время (необходимое для устте,„„.„. одновременно, то 18 У фа гения повреждения) отключит-
ся только одна отпаечная подстанция, присоединенная отпайками к пов- режденным участкам обеих цепей линии. На дорогах СССР принято, что для обеспечения необходимой надеж- ности число промежуточных подстанций (как тяговых, так и районных), включаемых между опорными подстанциями, прн электрической тяге пере- менного тока должно быть не более трех прн напряжении 110 кв (см. рис. 8) и не более пяти •— при напряжении 220 кв; при электрической тяге постоян- ного тока--не более пяти (см. рис. 8 и 9). о) - 2 д) 4 5 л 5 4 4 J 4 5 4 Рис. 9. Схемы двустороннего питания тяговых подстанций переменного (прн ЛЭП 220 кв) н постоянного тока от двухцеп- ной линии передачи прн четырех (а) к пяти (б) промежуточ- ных подстанциях Обозначения позиций те же, что па рис. 8 Защита от токов короткого замыкания в упомянутых схемах осуществ- ляется с помощью силовых выключателей на опорных подстанциях. Повреждение на линии передачи приводит к ее отключению и одновременно к отключению всех подстанций, получающих от нее питание. Однако в весьма короткое время путем переключения соответствующих разъединителей поврежденный участок линии отключается и все тяговые подстанции (или в крайнем случае без одной) вновь вводятся в работу. 3 4 3 4 3 Рис. 10. Схема двустороннего питания тяговых подстанций от одноцепной линии передачи: /—электрическая станция (или районная подстанция); 2—одноцепнал липни передачи; 8—транзитная (с выключателем) промежуточная под- станция; промежуточная подстанция без выключателя (с разъеди- нителем в перемычка) При повреждении па тяговой подстанции, например, понижающего тран- сформатора срабатывает короткозамыкатель (см. рис. 11, б, в), вызывая искусственное короткое замыкание н отключение выключателей на опорных подстанциях. В бестоковую паузу (между моментом отключения выключателей п их повторным включением от АПВ) поврежденный трансформатор отсоеди- няется от линии передачи отделителем, а вся остальная часть схемы вновь вводится в работу. В нормальных условиях ненагруженные понижающие тран- сформаторы включаются и отключаются отделителями. При двустороннем питании тяговых подстанций от о д н о ц е п- п о й линии передачи (рис. 10) к схеме питания предъявляются те же требова- ния, что и выше (прн любой аварии иа линии передачи выход из работы не более одной подстанции на участке длиной 150—200 км). Поэтому при питании от одноцепной линии передачи не допускается присоединение подстанций на от- пайках, все подстанции включаются в разрез линии, причем на каждой про- межуточной подстанции ливня передачи секционируется выключателем. Та- кие подстанции называются транзитными (рис. 11, д). Силовые выключатели на транзитных подстанциях выполняют функции защиты. В последнее время 2* 19
и a r ЛЭП-110 кв вводится перемычка (с двумя разъединн- в схеме рис 11,о в лап пи ке ввуд выключателя (для ремонта) с целью телями), используемая при отк™°® Существует и такой вариант, прн сохраним» транзита энергии но лини. С^ествдет „ Д предыдущим (ем. рис. 8 " Как уже упоминалось, но схемам коммутации иа S0№^t='k^ циях переменного, так н постоянного тока. Понижающие трансформаторы у ду^кХно, разными. На рис. 11, а-д изображены трансформаторы яговои подстанции переменного тока. Здесь показаны принципиальные схемы ком На подстанциях переменного тока в СССР в настоящее время применяют трехфазные трехобмоточные трансформаторы. От обмотки 27,5 кв питается тя- говая нагрузка, а третья обмотка напряжением 35 или 10 кв служит для пита ния районных (иетяговых) потребителей. Однако на подстанциях однофазного тока могут применяться трансформаторы с самыми разнообразными схемами соединения обмоток. В зависимости от этого питание района может осуществ- ляться по-разному. Существенную роль в этом случае играет н соотношение потребляемой мощности тяги и района. Подробному рассмотрению схем трансформаторов на подстанциях одно- фазного тока посвящен § 4. На подстанциях постоянного тока применяются как трех, так н двухобмо- точные понижающие трансформаторы (на рис. 11, а—д показаны только пони- жающие трехобмоточные трансформаторы). Для питания районных потребите- лей, расположенных вблизи от подстанции, может быть использовано напряже- ние 6 пли 10 кв. Для охвата большего числа потребителей предпочтительно на- пряжение Юке. При этом, поскольку на подстанции уже будет напряжение 10 кв, целесообразно от него питать и тяговые выпрямительные агрегаты» состоящие ва тягового трансформатора и одного или двух выпрями- телей. Для питания удаленных потребителей района требуется напряжение 35 кв. В этом случае понижающие трансформаторы должны быть трехобмоточными 110/38,5/11,0 кв. Схема подстанции постоянного тока после понижающего трансформатора будет такая же, как на рис. 11, е. При отсутствии удаленных районных потребителей достаточно иметь на подстанции двухобмоточные по- нижающие трансформаторы. Как нетрудно усмотреть из предыдущих рассуждений, при разборе схем питания подстанций участков постоянного тока речь шла о двухступенчатой трансформации: сначала со 110 на 10 кв, а затем еще одна трансформация н вы- прямление тока. Такая схема двухступенчатой трансформации к настоящему времени получила широкое распространение, так как обеспечивает удобное питание нетяговых потребителей напряжением 10 кв. Кроме того, в предыдущие годы, когда подстанции ПО кв сооружались с выключателями (см. рис. 11, е), прн такой схеме уменьшалось число высоковольтных выключателей и тем зна- чительнее, чем большее число выпрямительных агрегатов ставилось на под- станции Однако при широком применении промежуточных тяговых подстан- ций без выключателей в некоторых случаях может оказаться целесообразным осуществлять для нужд тяги одноступенчатую трансформацию со 110 кв, а не- тяговые потребители питать отдельным трансформатором. Одноступенчатые U кв тяговые трансформаторы находят уже сейчас применение при усилении д*^®уЮщих эле1<тР”Фниированных участков (рис. 11, ас). Схема коммутации подстанции постоянного тока напряжением 35 кв показала на рис. 11 ,з. При пер- “ 6 или 10 ™ как тягоеые выпрямительные агрегаты, так и районные потребители получают питание от шин 6 или 10 кв 20
I/OkF
§ 3. СХЕМЫ ПИТАНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ При проектировании и эксплуатации контактной сети особое внимание уде- ляется волнам надежности Надежность работы контактной сети, в первую оче- редь, зависит от схемы литания. Большую роль играет и разделение (секцио- нирование) контактной сети на отдельные части (секции). Секционирование про- изводится для того, чтобы иметь возможность отключить небольшой учас- ток (секцию) контактной сети при повреждении на нем или для ре- монта. Схема секционирования контактной сети определяется эксплуатационны- ми условиями Ее стремятся сделать простой и в то же время достаточно гибкой, позволяющей легко отключать поврежденные участки. Электрическое разделение сети на секции производится только в контактной сети, рельсовый же путь в электрическом отношения представляет собой одно целое. Разделение на секции может быть осуществлено с помощью воздушных промежутков (млн секционных изоляторов) и нейтральных вставок (рис. 12). Из сравнения рнс. 12, а н б видно, что нейтральная вставка по существу представляет собой последовательное соединение двух воздушных промежутков. Нор- мально разъединители, присоединяю- щие нейтральную вставку к раз- личным секциям контактной сети, разомкнуты, и нейтральная вставка не имеет напряжения. При проходе поезда под воздушным промежутком токоприемник локомотива соединяет между собой на короткое время сек- ции 1 и 2 (см. рис. 12, а). Следова- тельно, воздушный промежуток нельзя применять в случаях, когда соедине- ние секций 1 н 2 может привести к ко- стыковании участков одной системы Рие. 12. Принципиальная схема разделе- ния контактной сети на секции: с—при поиощи воздушного промежутки (изоли- рующего сопряжении); б—при помощи нейтраль- ной вставки; I и 2—рэзделнамые секции контакт- ной сети, й—воздушный промежуток: 4—токо- приемник: е—нейтральная вставка; 6—секционикП разъединитель роткому замыканию, например, при Г Г’ Г J -»14V X ПМО МАТТМЯ CULlCniJ" тока, но разных напряжении или на переменном токе, если смежные секции питаются от различных фаз трехфазной системы. В подобных случаях при- меняются центральные вставки. ’ р Основными вопросами, которые приходится разрешать пои выбоие схем пития контактной сети, являются выбор параллелью» или pUwS рабо- ты подстанции па контактную сеть (одайтороштое „ли даустомХ питан,ю септ) а определение целесообразности введения в схему ттейчшк й между проводами отдельных путей. Схемы питания пр, сравнен и mSwrt приходите, отключать при вознпкнодеиш? кор™о"о КОТОрУ'" Одностороннее и двустороннее пмтяиш» замыкания. тин при так называет,ой од,,«иронией схеме РЛ® подста,,иий1 тактнои сети приблизительно в «родине участаа Lei, h "|’°вод;1 №|1' деляют (воздушным промежутком ням нрйтпоп^а.меи«У подстанциям» раз- "MTaHHaHa^SKK^SSSS^’" пп™»й) „а да секши, ноиработе подстанций (рнс™ б) или пон mJ“ “’’станщт. При параллель- пего питания, все поезд! расположенные cmie Л“усторон- потчмают питание одноврежнно от двух подстанш,? “'““У "““"пнями. подучает от опре- и фидеров (см р,к 13,б) Та часть Ластка 2.™" °т опроделои..ых подстанций а того же фидера или от одаих н тех же ?” "мУч,аст питание от одного ров), называется ф „ , „ Р"С' 13' " - о, двух ф.еде- часть участка, получающая шла-
ние от одной и той же подстанции, независимо от того, питают ли этот участок другие подстанции, называется п о д с т а и ц и о н н о й зоной. Подстанционная зона составляется из фидерных зон, питаемых фидерами данной подстанции. При схеме одностороннего питания (см. рис. 13, а) всякого рода поврежде- ния, вызывающие короткие замыкания, распространяются на меньшую длину участка. Поэтому легче находится место повреждения. Однако двустороннее питание имеет другие серьезные преимущества. Основными из них являются значительно меньшие потери энергии и потери напряжения в сети, а также более равномерная нагрузка подстанций. В схеме одностороннего питания при движе- нии по первой половине участка каждый поезд будет питаться только от одной подстанции и, следовательно, ток будет целиком протекать по одной секции Рис. 13. Схемы питания контактной сети электрических железных дорог: о— схема одностороннего питания; б—схема дпусгоропнего питания; i—тяговые подстанции; 2—питающие пинии (фидеры), а—отсасывающие линии; 4—контактная сеть; 5—рельсы; 6— воздушные промежутки или нейтральные вставки; 7—фидерные зоны; S—лодстанцнонные аоиы контактной сети, а при проходе поездом середины участка, т. е. при переходе его на вторую секцию, первая подстанция и первая секция сети освободятся от нагрузки и она целиком передастся через вторуюсекцню на вторую подстанцию. Поэтому подстанция и секции контактной сети при одностороннем питании за- гружаются в течение меньшего времени, но зато с большей нагрузкой. При двустороннем питании ток идет с двух сторон в течение всего времени, пока нагрузка находится между данными подстанциями, т. е подстанции н кон- тактная сеть загружаются большее время меньшей нагрузкой. Таким образом, подстанции и контактная сеть при двустороннем питании нагружены более рав- номерно по времени. Вследствие же того, что потери энергии в линии и износ изоляции трансформаторов подстанций зависят от нагрузки во второй и большей степени, то чем неравномернее по времени будет распределяться нагрузка, тем (при прочих равных условиях) будут больше потерн энергии и потребная мощность тяговых подстанций. Потери напряжения, особенно их максимальные значения, также находятся в зависимости от схемы питания и получаются мень- шими при двустороннем питании. Следует, однако, отмстить, что все эти преимущества схемы двустороннего питания достигаются при одинаковом по уровню и фазе напряжении на шинах подстанций. В противном случае нагрузка распределяется между смежными подстанциями неравномерно, что ведет к увеличению потерь энергии п потерь напряжения. В отдельных случаях эта причина может уничтожить все преиму- щества двустороннего питания и, более того, заведомо сделать недопустимой такую схему. В частности, это может возникнуть при питании смежных под- 23
Рис 14. Схемы питания контактной сети двухпутного участка. о—схема раздельного питания путей: б—узловая схема, в—схема параллельного соединения путей, 1 — тяговые подстанции; 2—контактная сеть первого пути; S—контактная сеть второго пути- 1—воздуш- ные промежутки или нейтральные вставив; S—пост секционирования; 6—пункт параллельного соедине- ния контактной сети путей ячличных энергосистем. Выбор схемы стэиций >и дорогах "^“'""ХТпташя для дорог '«Р'я.шюго тока про. одностороннего или дауспфо»^» « ы соединения обмоток транс, мышлспной частоты зашгаи еще ОТ принято о § 4 форматоров подстанций. °'ем ®удет ска двустороннее питание как На дорогах СССР. ка« nra“'^"f,„r0T0K!i. Одаосторопнее питание при- ZST»0 мХутных У^стка’. на АВ^хпуткы^и „иотХ- участках контактные в) ния путей, рис. 14, а) или они мо- гут быть соединены между собой специальными поперечными соеди- нениями в одной точке (узловая схема, рис. 14, б), либо в несколь- ких точках (схема параллельного соединения путей, рис. 14, в). При узловой схеме (см. рис. 14, б) примерно всередине фидерной зоны устраивается так называемый пост секционирования, на котором со- средоточиваются выключатели и разъединители, электрически соеди- ненные между собой. В контактной сети у поста устраивается секцион- ное разъединение. Наличие поста секционирования позволяет соеди- нить между собой контактные под- вески обоих путей, а при повреж- дении контактной сети выводить из работы не весь участок между под- станциями, а лишь поврежденную секцию между подстанцией и по- стом. При параллельном соединении путей (см. рис. 14, в), кроме поста секцио- нирования, устраиваются еще пункты параллельного соединения путей, кото- рые электрически соединяют пути дополнительно в нескольких точках. При повреждении на одном из путей пункты параллельного соединения должны разъединять контактную сеть путей, тем самым позволяя неповрежденному пути остаться в работе. 1 Применение поперечных соединений проводов контактам! сети путей мио- 'ZIK°S Пр,,вод,,т к “°ДО"У выраишшанню па- грузок в проводах. Эго выравнивание позволяет уменьшить пптяпн энергии и потери напряжения в сети, уменьшить сеченнс проводов koS ,ой сети- Кроме того, поперечные соедигенвя проводов контактнойТтн m теГХчшаОТ условия рекуперации энергии, так как облегчают передаче я,стпёкепе- ₽гоТп^0Л°~ К Л°К°МОТИВУ' СЛеДующе“>' Bex^o'^S напряжении при ввеДО.. лов энергии поездами пл первом и втором CW,T,I'“1"’”"’1 Р»”0- куперацин), степени использования гоопуекпойпримет.......и рс- поездов, характера измевепня тока тдаКи “ ™ г” Ра3"0™"1.1»™ расположения, соотношения сопротивлений nminn “«"“‘null, п» ИХ путях. В качестве примера иГдос 15 пг»,£° г?? к0,1пкг“<* сети иа обо- пиния потерь мощности в контактной сети тюст.' КР"ВЫ|= пэмеиеипя они- и постояшюго тока при соединении
проводов путей в одной точке — ДРУ (узловая схема) или во многих точках — ЛР„ (параллельное соединение) к потерям мощности ДРр прн раздельном питании путей. Соотношение этих потерь мощности k представлено на рис. 15, ан б (соответственно для узловой и параллельной схем) в зависимости от соот- ношения потребления энергии на втором (Л//) и на первом (Л/) путях. На рис. 15, в иг показана зависимость k от числа параллельных соединений п при двух соотношениях потребления энергии по путям: 0,5 и 1. Эти кривые рассчитаны для двух предельных схем — равномерно рас- пределенной нагрузки на обоих путях (кривая /) л для одного поезда на каж- Рнс. 1Б. Кривые изменения соотношения потерь мощности при раз- личных схемах питания двухпутного участка постоянного тока дом пути (кривая 2). Кривая 3 соответствует некоторым средним условиям. При расчетах было принято, что все поезда на каждом пути однотипны, время хода поезда больше времени потребления энергии примерно в 1,4 раза, при узловой схеме поперечное соединение находится в середине фидер- ной зоны. Аналогичное влияние оказывает введение поперечных соединений па поте- рн напряжения в контактной сети. Увеличение числа нагрузок на обоих путях уменьшает степень выгоды от таких соединений, однако она остается все же столь ощутимой, что, как правило, во всех проектах предусматриваются поперечные соединения. Число соединений должно для каждого случая вы- бираться на основании технико-экономических соображений. Как видно из рис. 15, для схем с двусторонним питанием в большинстве случаев увеличение числа поперечных соединений сверх трех малоэффективно. Что касается участков однофазного тока, то и в этом случае соединение подвесок путей двухпутного участка уменьшает, правда в меньшей степени, па- дение напряжения и потери энергия в сети [71. Например» для од ной перемещающейся нагрузки прн переходе от раздельного к параллельному 2В К. Г. Мпркпарлг • ’
Рис. |6 Схемы присоединения подстанции к контакт- ной сети. в—однопутного участка постоянного тока; б—двухпутного учаетна однофазного тока; I— подстанция 2 —контактна!! сеть перегона, Я—поадуишиП промежуток, 4~контактная сеть же .|езподорож>1оП станции, 5 ~нейтральная вставка Ф, Ф, Ф._ Ф, — разъединители фндсраи перегона; ф,—разъединитель фк деря станции. А, В. D, > —продольные разъединители; П~по- персчныП разъединитель й JS1-1 „««««а мяппткеяня в сети снижается на 37% (а па Потер» SWOT»» "Р" №Р“оде °т РР’ЛРЛЬ"0™ "“тар"» k^Xmv ™ 1 -9% Как и № постоя том токе, ршшоиалыюе число №И^Гых должяо выбираться «а «лове техш.ко экоиом.жского РГ'шнепия ^™т“'№a| „„ „ путтЯ1 параллелыюго соединения будут рассмотрены п главе X, так как эти схемы непосредственно связаны со схемам» г зашиты участка от токов короткого замыкания. Схемы присоединения подстанций к контактной сети. Как отмечено выше, для повышения техниче- ской надежности контакт- ная сеть разделяется в электрическом отношении па части — секции, т. с. секционируется. Как пра- вило, секционирование про- изводится у места располо- жения тяговой подстанция и питание каяадой примы- кающей секции сети осу- - ществляется через свой фи- 2 дер. Эти фидеры выполни* - ются пли воздушной ли- нией или кабелем. При- соединение контактной се- ти к шинам тяговой под- станции осуществляется па дорогах Jпостоянного тока (рис 16, 'а) через быстро- действующий автоматиче- ский выключатель, уста- новленный на подстанции, и разъединитель, устаиов ленный на опоре контакт- ной сети. На участках пе- ременного тока (рис. 16, б) присоединение осущест- вляется посредством масля- ного выключателя на пол- на опоре контактной сети. Кроме того пЛлп стапции и разъединителя ваемые продольные и поперечные оаэт e-iiIirtSyC/aip’1Ba,0TC,! СЩ(: таК иазы' могут быть вепмыовлвы пр» по.»™,,™ (™ У' |С- ° » О. которые тактной сети однофазного тока в разим-стоолиы*^0 Ю ♦*’ДСР°В- Питание кон- ществляется разными фазами Поэтому на пг>пгтОТ Подс7а,,ц,1» чаще всего осу- иы две шины (имеющие разные по фазе рис- 16- покачл- устраивается нейтральная вставка Ф пРяжсиия), а около подстанции пя железнодорожных станциях. п/2тгЕС’1И ,,а станц“и расположено эчектгю ип°’ пр€дУСМп'фивастся особый леляется и для сети депо. При расподХпК"0’То «Анальный фидер вы- т Т<,КЖС *стРаИваегся воздушный «Л перегоне около вставка. Воздушные промежутки (иейтпалыгы ’Р°мсжуток или нейтральная STTSSTJE/I П.срсго»а- "релпазначеш.ые для лом и первой стрелкой станции со сторо)1ы ,1Х°Лиым енгна- 26 регопа с тем, чтобы в случае
отключения станционных путей при аварии или ремонте контактной сети па станции подходящий с перегона поезд мог быть остановлен у входного сигнала. Буквенные и цифровые обозначения секционных разъединителей устанавлива- ются так, чтобы облегчить запоминание схемы секционирования участка и название отдельных разъединителей. Ответственные разъединители снабжа- ются дистанционным управлением. Наиболее технически совершенной являет- ся система с диспетчерским управлением секционными разъединителями, при которой управление ими сосредоточивается в одном пункте и поручается одному лицу. При отсутствии такой системы управление разъединителями по- ручается обычно работникам контактной сети, подстанции или железнодо- рожной станции. Стыкование участков электрических железных дорог с различным напря- жением в тяговой сети или с различными системами тока. Прн применении одной н той же системы тока, но при различных напряжениях в тяговой сети леелгягливм тока Рис. 17. Схема секционирования контактной сети на станции стыкования системы постоянного тока 3,3 лл и однофазного тока 27,5 кв 50 гц или при различных системах тока на смежных участках электрифицирован- ных железных дорог возникает вопрос, связанный со следованием поездов с одного участка на другой. При применении на обоих участках одного рода тока, но с различным напряжением в тяговой сети] (обычно это бывает „а дорогах постоянного тока) задача решается относительно просто. Стыкование участков лучше всего осуществлять на одной из станций, пита- ние которой можно производить от сети меньшего напряжения. Отделение же этой станции от перегонов с большим напряжением производится через нейтральную вставку, которую поезд должен проходитьна выбеге. В случае если по каким-либо причинам поезд остановится на такой нейтральной встав- ке, то включением разъединителя контактной сети, расположенного впереди по ходу поезда, можно поставить нейтральную вставку под напряжение. Эти разъединители обычно автоматически отключаются после прохода поездом нейтральной вставки. Прн таком решении задачи, если стыковая станция расположена на границе двух тяговых плеч, на которых обращается электроподннжной состав, построенный на различное напряжение, локомотивы низшего напряжения будут приниматься на данную станцию при нормальном для них напряжении Элск- троподинжпой состав смежного участка будет при подходе к станции переходить па более низкое напряженно, т. е. двигаться с меиыней скоростью, что на путих станции и на подходах к ней не играет существенной роли. В некоторых слу- чаях применяют локомотииы, работающие нормально па том и другом напря- жении. Значительно сложнее вопрос стыкования электрифицированных участков, работающих па разных системах тока Такое стыкование осуществляется или прн помощи специальных локомотивов двойного питания, т. е. приспособят и ?В’ 27
„ nnvrofi системе тока, или при помощи пых для работы как на одной.так и контакТЯОй сети (станции сты- ДОВОЛЬНО Р токпг пеШСИИС Хо вопроса, при котором передача по- та™ на у,асгок лру будет происходить при помощи теП*°®^®' „ сТанцик стыкования. Приме- Надорогах СССР стыкования может ром схемы сскциттропаиия “°“™ „ которой 22 секции контактной токомвзавн- ^Bo!ipoM^^toM,^“™^,t’’S с™ га станциях стыкования в вдёёХтХя сеть», а специвлынл локомотпвь^тыкотые н «вовиого питания) в курсах, посвященных электропадштиюму составу. § 4. ОСОБЕННОСТИ СХЕМ ПИТАНИЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ ОДНОФАЗНОГО ТОКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ Схемы соединения обмоток трансформаторов на тяговых подстанциях. На дорогах однофазного тока питание тяговой сети, как правило, осущест- вляется от трехфазпой липин передачи через трансформаторы, соединенные в ту или иную схему Прежде чем переходить к рассмотрению питания тяговой сети через трансформаторы различных схем соединений, условимся о системе обозначений напряжений и токов в обмотках трансформаторов. При рассмот- рении цепей переменного тока в электротехнике принято условливаться о на- пряжении, э. д. с. и токе, которые принимаются за положительные. Прежде всего напомним, что у каждой обмотки условно назначается «на- чало» в «конец». «Начала» обмоток, согласно действующему стандарту, обозна- чают начальными буквами алфавита (А, В, С), а «концы»— последними буквами алфавита (X, V, Z). При этом для обмоток высшего напряжения берутся пропис- ные буквы А, В, С и X, Y, Z, а для обмоток низшего напряжения строчные а, Ь, с и х, у и z. Для однофазных трансформаторов обозначают соответственно А и X и а и к. Если теперь принять, что направление намотки обмоток высшего н низ- шего напряжения одинаково и маркировка концов обмоток высшего и низшего напряжения выполнена вдоль по сердечнику в одном порядке, то направления э. д с. в обеих обмотках всегда будут совпадать (например, от X к А и от х к а). Следовательно, будет одинакова полярность зажимов А и а и соответственно X и х (рис. 18, а), будет совпадать по фазе и напряжение 0лх (между точкам» А и X) с напряжением Uox (между точками а и х). Тогда взаимное оасположеиис ялиемне ими в контурах первичной (ток / 1.. - , , , « п„ ложвплыюе иапрактекиеэХхХ Ю, 7 ‘ “°Р По' Как видно из рис. 18. а, ток в перим^ S™ "а р”с' ,8’ “ отрелкам,в контуре приемником энерго,направ-м »„ск>е!" вторичной обмотке, являющая 7^ГХХ'?“ИКп А “ КО1вдХ' а“° направлен от конца обмотки х к началу о ,еиЧ>аТЧХ>« энергии, ток (для трансформатора с коэффициентом TDniic^^.TCTBe,iH0 векТ0Р«ая диаграмма холостого хода, ранным нллю) получиДи! 12?аЦ,1И’раш1ым единице, и током ными линиями. За положительное HannaBSIJL 26₽a>KCII,lb!1! ”а рис* 18« всплои1' будем принимать направление от коитактнг^п .^КЯ U 3'1CKTp,‘4CCKt’M локомотиве На рис 18. а и далее на посладуХх аЕоп.Г^ К РСЛ,’С* <СМ’ рис* 18’ в)' проводом показано напряжение питаюпюй ° 4 рисУ1!ках «ад контактным фазе совпадает напряжение в тяговой сети т₽ехФаЭ11о{| липни, с которым по 28
Наиболее простой схемой питания тяговой сети однофазного тока яв- ляется схема питания через однофазный трансформатор (рис. 18, а). Здесь на всем протяжении линии справа п слева от подстанции тяговая сеть имеет напряжение 0ак, совпадающее по фазе с напряжением 1)Ац. Около подстанции располагается воздушный промежуток, позволяющий при повреждении отклю- чать только половину линии, питаемой данной подстанцией. При такой схеме подстанции одна фаза линии передачи остается неиагружешюй. Само собой разумеется, что любая перемена концов обмоток трансформатора (первичной или вторичной — рис. 18, б) не изменит нагрузку линии передачи и может толь- ко привести к изменению по фазе (па угол л) напряжения в тяговой сети и соответственно тока локомотива. Напряжение в тяговой сети и ток в локо- мотиве для этого случая показаны на рис. 18, в пунктиром. Более равномерная нагрузка фаз трехфазной линии передачи достигается при питании тяговых подстанций от всех трех фаз линии передачи. В этом слу- чае секции т. oBui сети слева и справа от подстанции, в отличие от предыду- 6) Рис. 18. Схема питания тяговой сети однофазного тока при помощи одно- фазного трансформатора a—cxeun пктвния: б—то же при перемене концов вторичной обмотки; в—векторная диаграмма; Г —трехфизиия линия передачи; 2—однофазный трансформатор; Л —контакт- ная сеть; 4 — ральсы; 5—воздушной промежуток; 6—фидерные выключатели щей схемы, питаются от различных фаз линии передачи и, следовательно, имеют напряжения, несовпадающие по фазе друг с Другом. На дорогах СССР получи- ло распространение питание тяговой сети от трехфазных трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Д. Большие и интересные исследования в направ- лении выбора схем питания дорог однофазного тока проведены ВНЙИЖТ [8]. Вторичная обмотка трансформатора соединяется в треугольник, например так, как это показано на схеме рис. 19, а. Первичная обмотка соединена в звез- ду и, следовательно, напряжения в тяговой сети (между контактным про- водом и рельсами) Uac м Шс = — Он, совпадают по фазе с напряжениями первичной стороны соответственно йА и — 0с, если принять те же условия, что и для однофазного трансформатора. При рассмотрении различных многофазных схем тяговых подстанций, с целью унификации изложения и в соответствии с принятым выше, за по- ложительное направление токов (/д, /д, /с) в линии передачи, в ответвле- ниях от линии передачи к подстанции, а также в фидерах, питающих тяговую сеть (/л. Ai и 7j>). будем принимать направление от питающего центра к потребителю. За положительное направление токов в электрических локомотивах будем принимать направление от контактного провода к рельсу. Для схемы питания рис. 19, а векторная диаграмма напряжений первичной и вторичной обмоток показана на рис. 19, б, а совмещенная векторная диаграмма напряжений и токов—-на рис 19, в. Будем принимать коэффициент 29
„ ТАКОМ холостого хода н UM «до» " "риеЖ2Тм будем считать (опять же транс«маш.и Р^м Твк"“±^Йп Д«'" на “Г»"™" „отними саоряж« !’ в ,|1 выда условиями) р 0„(1>«.,); О соответствии с приняты» и да вторичных *' „опряже. обмотан U^V^U№ „ ооопадаюигжи № Ucb будут пред- :даг”';- Рис. 19 Схема питания тяговой сети однофазного тока прн помощи трехфазного трансформатора, соеди- ненного по схеме Y/д — И- о—схема питания; б—векторная диаграм- ма напряжений первичной и вторичной оо- моток; в— совмещенная вектормяя дня* ранка напряжений и тонок 1 — трсхфоз- иая линия передачи; 1—трехфазиый ’Р"’"* форматор S—контактная сеть. 4—рель сы- 5—вейтральпаи вставит. 6— влсктро- ставляться одними и теми же векторами (рис. 19, в) Вектор тока /л (левая сторона) принятого наиревления следует ориентировать относительно вектора напряжения 0ОС. На векторной диаграмме показан ток in, сдвинутый от «своего» напряжения на некоторый угол <рл. Вектор тока In (идущего вправо от подстанции) ’при напревленни. показанном на рис. 19, а, ореентируется от вектора «своего» напряжения—^»’ противоположного напряжению Ucb, показанному ла диаграмме (рис. 19. °)- Отложив на диаграмме напряжение — (Jcb (показано пунктиром), сможем относительно него со сдвигом на некоторый угол <рп нанести вектор тока In- Зная in и In, нетрудно найти н I? (ток в проводе, (присоединенном к рельсу) как уравновешивающую их величину (так как )ЛЧ-/п4- Ь®'1®)’ Отложив в противоположную сторону /л и /п, т. е. изобразив -- in и—-А» (показано пунктиром) и сложив их, получим 1Р (рис. 19, о).
Построенная векторная диаграмма позволяет оез всяких аналитических выкладок найти токи в фазах вторичного треугольника и соответственно в фа- зах звезды первичной обмотки. Для этого установим правило, по которому токи фидерных зон 7л и 7П (под которыми подразумеваются суммарные токи фидеров, отходящих от подстанции соответственно влево и вправо) распределяются между вторичными обмотками трансформатора. Или, лучше сказать, опреде- лим долю участия вторичных обмоток трансформатора в питании обеих фи- дерных зон. Рис. 20. Векторная диаграмма для определе- ния токов Лаз трехфазного трансформатора В теории электрических машин доказывается, что для схемы Y/Д (иля Y/Y/д), т. е. для схемы, где отсутствуют токи нулевой последовательности, каждую фазу трансформатора и при несимметричной нагрузке можно рас- сматривать независимо от другой, т. е. как однофазный трансформатор (см. §20). Прл этом в замкнутом контуре треугольника не может возникнуть одно- фазный ток нулевой последовательности, и распределение нагрузок на вторич- ной стороне между фазами трансформатора определяется только соотноше- нием сопротивлений обмоток. Левая фидерная зона с током /л питает- ся от напряжения й„с. Это на- пряжение генерируется как в об- мотке ах, так и в обмотках ybzc (где оно получается в результате геометрического сложения напря- жений двух обмоток by и сг). Но сопротивление обмотки ах в два раза меньше сопротивления двух других обмоток, соединенных по- следовательно. Поэтому ток /л разделяется между этими генери- рующими напряжение Uoe обмотка- ми в отношении2:1 .Аналогичным образом делится и ток /п- Эти соображения позволяют построить векторную диаграмму токов в обмотках трансформатора. Для большей ясности вынесем из диаграммы рис. 19, в два вектора 7л и /п (рис. 20). Ток в обмотке ах, исходя из изложенного, должен равняться су мме ~1ъ1л и ’/8 /п- Отложив на векторе 7л величину, равную s/3 его длины, и на векторе /n—Vj его дли- ны, найдем /о, как сумму этих частей. Ток в фазе А звезды первичной об- мотки прн принятых выше условиях равен току 1а, т. е. 7д = /о. Аналогично ток в обмотке сг складывается из 2/3 тока — In И х/3 тока — 7л- Сложив их (показано пунктиром на рис. 20), получим ток 7С. Соответственно 1с = it • Из уже рассмотренных контуров видно, что нагрузка в обмотке by состав- ляется из суммы ‘/и In н — */а/л- Сложив эти векторы (ем. рис. 20), получим на- грузку третьей, наименее нагруженной фазы 7& = /д. Можно заметить (см. рис 19, а), что наименее нагруженной фазой является та фаза треугольника, которая непосредственно нс соединена с рельсами. На векторной диаграмме рис. 19, б она лежит против заземленного угла треугольника. В данном случае это фаза by. В частном случае, когда одна из нагрузок, 7л или /ц. равна нулю, наименее нагруженными оказываются две фазы. Величины токов, показанные на векторной диаграмме рис. 20, можно по- лучить и непосредственно из рассмотрения уравнений Кирхгофа. Если в рас- 31
смагриваемыи момент времени слева от подстанции нагрузка L, (см. рис 19, а), то можно написать и справа /п
Полученные уравнения (3) соответствуют векторной диаграмме рис. 20. На векторной диаграмме рис. 20 показаны углы сдвига фаз (р }, <рв, <рс между токами 7д, и 7С и напряжениями UA, Ur,Uс соответственно. Заметим, что д)Л>ф?р а Ч’с'СЧ’п» т-е- Углы СЛВИ™ Фд и фс для двух наи- более загруженных фаз оказываются разными даже при фл==фп- Причем у «опережающей» (по ходу вращения векторов) фазы С угол меньше, чем у «отстающей» фазы А. Это обстоятельство, как мы увидим в дальнейшем, весьма существенно влияет на потери напряжения в трансформаторе. Как известно, соединяя между собой различным образом обмотки первич- ной или вторичной стероны, можно создать ряд групп соединений этих обмоток. В частности, разные группы можно получить и для схемы Y/д путем лересое- Рис. 22. Схема питания тяговой се- ти однофазного тока при помощи Двух однофазных трансформаторов, соеди- ненных в открытый треугольник, 1-й варнппт: о—схсмп питания, б—векторная диаграмма; Рис. 23. Схема питания тяговой се- ти однофазного тока при помощи двух однофазных трансформаторов, соединен- ных в открытый треугольник, 2-й вя- риант. Обозначения позиций тс же, что на ряс. 22 дниения выводов вторичной обмотки. Согласно ГОСТу различные группы соеди- нения обмоток характеризуются взаимным расположением векторов э. д. с первичных и вторичных обмоток, действующих между одноименными зажимами. Прн этом для оценки сдвига фаз вектор э.д. с. обмотки высшего напряжения мысленно совмещают с минутной стрелкой часов, установленной на цифре 12, тогда часовая стрелка, занимая различное положение на циферблате, пока- зывает цифру, которой обозначается данная группа соединения. Выше мы уклонились о направлении намотки и маркировке обмоток таким образом, что взаимное расположение векторов э. д. с. первичной и вторичной 33
Рис- 24. Трехстержневой трансформатор с двумя об- мотками, соединенными го схеме открытого треуголь- ника «нем соответствующих векторов оСиотж будет совладать с взаимны»' Р«"^яшеш1й трансформаторов “ож- налряжелий Стаовате.1ьл°. °®™У W„спряжений. Эго позволит ^ТпХ'Хэ"^^^ и все дальнейшее изложение. треугольник иа вторичной об- На разобранной выше схеме (см.рш-U скопцом второй (у), мотке образовав соединением качала пч»юн Ф®«1» и с концом первой (х). начала торой (6) с коппомтретьеи И и начала третьей (> При атом вектор линейного напряжения первично< тороны £л И вектора линейного напряжения вгоричнои стороны UbD на ( • Р Если вектор Ьы совместить с “"путной оршЛпоказьша- РО J2. то вектор торичкото как .«иестио, получила обозначение Y/Д—П- Однако треугольник мог бы быть получен н дру гпм путем, а именно: соединением конца первой фа- зы (х) с началом второй (Ь), конца второй (у) с нача- лом третьей (с) и т. Л-(рис. 21, о). При этом можно так присоединить трансформатор к тяговой cent, что наименее нагруженной останется опять фаза В (та фаза, которая в треугольнике непосредственно не соединяется с рельсами). В рассматриваемой схеме вектор линейного напряжения первичной стороны Ubc (рис. 21, в) опережает вектор линейного напряжения вторичной стороны Ubc на 30°. Такая схема обозначается Y//S — 1. Тогда напряжения и токи фидерных зон изменятся на противоположные (как в случае однофазного трансформатора при перемене концов одной из обмоток). Составив уравнения, аналогич- ные уравнениям (I) —(3), можно легко убедиться, что нагрузка фаз на первичной стороне не изме- няется (по сравнению с рис. 20). Наиболее простой вз многофазных схем является схема соединения обмоток трансформаторов в открытый (или неполный) треугольник. Как известно, схе- мой открытого треугольника называется схема, в которой (как и выше в полном треугольнике) конец обмотки одной фазы соединяется с началом обмотки дру- гой, ио в которой отсутствует одна из фаз. Такая схема может осуществлять- ся как при помощи двух однофазных трансформаторов (рис. 22 и 23), так и при помощи одного трехстержневого [91 трансформатора с двумя обмотками (рис. 24). Положительное направление токов показано в липни передачи от питаю- щего центра к потребителю (1Л, 1В, 1с), в фидерах тяговой сети от подстанции к сети и на локомотивах от контактного провода к рельсам На рис. 22. а слева от подстанции напряжение равно U a>JC, (UAB), справа напря- жение между рельсами и контактным проводом равно иа„жЛ&вс), а так как мы показываем на схеме напряжение между контактным проводом и рель- сом, то оно равно — ив,х,(—иБс). Векторная диаграмма для схемы рис. 22, а представлена иа рис. 22, б. Для простоты, как и выше, принято что коэф- фициент трансформации равен единице, ток холостого хода и падение на- пряжения в обмотках трансформатора равны нулю. Ток /л ориентируем отно- сительно напряжения Uлв и ток /п относительно напряжения —UBC Из век- торной диаграммы рис. 22, б легко усмотреть, что наиболее загруженной фазой линии передачи оказывается фаза В. В схеме рис. 22, а открытый треу- гольник образован соединением точек Xt с Л2 и соответственно х, се,. По 34
существу ничего не изменится, если соединить начало первой обмотки А, с кон- цом второй л2 в соответственно а, сх2, присоединив к рельсу прн этом точку С1Л^ вместо точки хга2 (рис. 23, а). Векторная диаграмма будет иметь тот же характер, только наиболее загруженной окажется теперь фаза А линии пеое- дачи (рис. 23, б). и Если на первичкой и аторичной стороне соединить не начало одной фазы с концом другой, а например, их концы, то получится так называемая неполная звезда (без одного луча) (рис. 25). Однако, как нетрудно понять из схемы (рис. 25, а) л векторной диаграммы (рис. 25, б), нагрузка трехфазной линии переда- чи от этого не изменится (по сравнению с рис. 22). а) В е> Рис. 25. Схема питания тяговой сети однофазного тока прн помощи двух однофазных трансформаторов, соединенных в неполную звезду. Обозначении поэнциП те же. что ип рис. 22 С> е >) Рас. 26. Схема питания тяговой сети при помощи трехфазно-двухфазного трансформатора (схема Скотта)- а—схема питания; б—векторная диаграм- ме трансформатора; в—векторная диаграм- ма для фидерных зон; 3—трехфазио-двух- фазный трансфармвтор Скотта; остальные обозначения те же, что па рис. 1S В приведенных иа рис. 19—25 схемах напряжения тяговой сети в смеж- ных фидерных зонах, примыкающих слева и справа к данной подстанции, сдви- нуты иа угол ” и даже при равных нагрузках /л = /п и равных углах сдвига фаз фЛ = фп не обеспечивают равномерной нагрузки фаз трехфазной лилии пе- редачи. Ниже (см. § 25) в общем виде будет показано, что если две смежные зоны питать от двухфазной системы, т. е. прн сдвиге напряжений в тяговой сети смежных фидерных эон на угол то прн равных нагрузках /л /п можно получить равномерную нагрузку трехфазной системы. Для этой цели могут быть использованы различные специальные трансформаторы. Наиболее распро- 35
«раненным валяется трехфазпо-двухфазный трансформатор го схеме Скотта, двух однофазных трансформаторов с различны- мн кгаффшшсггама трансформации, включенных но специальной схеме(рис. 26 а) < >6а вывода трансформатора 1, называемого «базисиь .и, и адии из выводов трансформатора 11, называемого «высотным», присоединяются к проводам линии передачи Кожи 0 первичной обмотки трансформатора 11 соединяется со средней точкой обмотки трансформатора I. Из топографическом диаграммы (рис. 26, б) видно, что напряжение l/до на первичной обмотке транс- форматора II равно -~f/BC ((4с — линейное напряжение трансформвтора 1) Так как напряжения в тяговой сети на фидерных зонах слева п справа от подстанции должны быть одинаковыми по величине, коэффициенты трансфор- мации трансформаторов I и II получаются различными. Вторичные обмотки имеют одинаковое число витков. При холостом ходе напряжения на вторнч- 1с . л нои стороне трансформаторов равны по величине и сдвинуты на угол -. Рассмотрим случай, когда нагрузки слева /л и справа /п равны по величине и сдинуты на угол -g, т. е. /л = — /7П и <рп = <рл. Найдем для этого случая токи 7^, /в и /с, По закону Кирхгофа для точки 0 (см. рис. 26 я) можно записать: Ал~гДвт/с=О. (4) Из условия равновесия магнитодвижущих сил (пренебрегая током холостого хода) сумма ампер-витк в в каждом трансформаторе равна нулю: , /3 . — Inw2 = 0-t i W1 Г wi 2— /л 0'2 0. Получи6’’335'™ у₽а“,,еш,я Ч>—(6>. учитывая, что /л 2 . (5) (6> 4+/с = -/л----- а’, уз’ Р> ИЛИ / , Щ 2 /л-',ЧяГ (*> / Щг 2 “Дуз г », U ' 3 Модули всех имучеиных токов равны мевду собой „ _ ' носитель,,о друга иа угол - т ' h“ ПОКР“1™ Лруг от- Векторная диаграмма, (Х^гепмоща. "аГ₽у1"'а Равномерно, рис 26 б “а"м"ое Р=с"оло»<™ис »сктороаУтаот"и <8)' ">*ди'|шт|л “ рис. 26, б. F токов И напряжении показано на
Схемы одностороннего питания группы тяговых подстанций от линии пере- дачи. как уже указывалось и §2, наиболее распространенной схемой энергоснаб- жения электрических железных дорог в Советском Союзе является схема питания от линии передачи 110—220 кв, идущей вдоль линии железной дороги’. Для уменьшения несимметрии на- грузки у питающего центра, в линии передачи и несимметрии напряжения на шинах районных потребителей тя- говые подстанции поочередно присое- диняют то к одним, то к другим фазам линии передачи. Порядок такого при- соединения зависит от схемы соедине- ния обмоток трансформвторов на тяго- вых подстанциях и от того, питается линия передачи с одной или с двух сто- рон. В большой мере такое чередова- ние в схемах присоединения зависит от длины рассматриваемого участка железной дороги и расположения от- носительно него питающих центров, числа и реального расположения тяго- вых подстанций и их нагрузки. Усло- Рис пой 27. К определению нагрузки трехфаз- снстемы при трехфазио-двухфазном трансформаторе (схема Скотта) вия для различных участков при этом получаются столь различными, что де- лать какие-либо обобщения становит- ся затруднительным. Поэтому» чтобы разобрать условия наилучшего решения , , редь рассмотрим несколько идеализированную схему, на которой мы, по своему желанию, можем расположить угодным кам образом любое число подстан- поставлеиной задачи, в первую оче- а) пЧ ыч N’? ж № А--------------------—•— -------------------— Рис 28 Схема питании участка однофазного тока через однофазные тгайсформаторы от линии передачи, питаемой с одной стороны. 1-й * ваонант. __гкема itniicosnimcmm трлисформптороп: й-искторная диаграмш. ПП—пкта- ющнй центр. S-нейтральнее обоэ|Гачеи»я позиций те же. нпй. В конце же изложим некоторые соображения, связанные с практически встречающимся расположением подстанций. Наиболее простой получается схема питания тяговой сети через одно- фазные трансформаторы (рис. 28, а). Для уменьшения неравномерности на груз- 37
к» подстанции поочередно подключаются к различим фазам 8; ° вниз' показано напряжение линии передачи, с которым пс фазе сомгад а пряжение фидерной зоны Векторные диаграммы схемы f' При такой схеме питания тяговые подстанции не должны соединяться через контактную сеть, так как это привело бы к короткому замыканию. Следова- тельно, каждая фидерная зона контактной сети может получать питание толь- ко с одной cropoifbi Примерно в середине участка между подстанциями в этом случае устраивается нейтральная вставка. Если бы нагрузки всех подстанций были постоянны по времени и равны по величине и имели бы одинаковые углы сдвига фаз между током и напряже- нием, то каждые три рядом расположенные подстанции, подключенные к фазам а} НЧ Н‘2 ГГЗ ИЧ1 H’S ГГ7 «3 1Л. -Цм V" ~h- да'к’ “Н 1 + нс. 29. Схема питания участка однофазного тока через однофазные транс- форматоры от линии передачи, питаемой с одной стороны, 2-й вариант. Обозначения позиции то же, что на рис. 28 АВ. ВС и СА образовали бы треугольник с равномерной нагрузкой фаз (мы здесь пренебрегаем сопротивлением питающей линии) it, следовательно давали бы равномерную нагрузку трехфазной системы. Исходя из этих соображений стремятся по возможности осуществить питание железной дороги от тяговш подстанций с числом, кратным трем. Если пренебречь сопротивлением ноополов липин передачи, то можно условно рассматривать все трансформаторы ттсх под- стакцнй как один групповой трехфазный трансформатор здкотЕ Гтт или тую схему. Поскольку каждая из первичных обмоток трех ощХзиьж м№м?°“ "Р,'соад”"”етс” поочередно к различным фазам лтХерХт (ЛВ, ВС IIСД). то три первичные обмотки образуют треугольник ™ one PR fi Что касается вторичных обмоток трех однофазных WmcJSm™ то гаш всегда одним концом соединяются с рельсами, т.е всеОХР™ю,ы в (правильную или неправильную) с нулевым проводом feaS На пае 2Я 1’р,ЖО-а™“™™.’хзЮ.ву-Зразбол,.що 38
Меняя (на противополож- ную) полярность в тяговой сети через одну подстанцию (пере- меной концов одной из обмоток), можно получить везде между напряжениями смежных зон угол 60° н разность напряжений между смежными зонами, рав- ную напряжению в тяговой сети (рис. 29). Здесь в тяговой сети чередуется шесть различных век- торов напряжений (рис. 29, б). Каждые три подстанции загру- жают линию передачи равно- мерно (при тех же условиях, что и на рис. 28). Если в схеме рис. 29, а каждый трансформа- тор заменить двумя одинаковыми трансформаторами и раздвинуть их к концам фидерных зон, то мы получим схему (рис. 30, а) с двусторонним питанием тяго- вой сети. Теперь на подстан- циях /, 2, 3 и т. д. распо- ложено по два (обозначены соот- ветственно индексами 1 и 2) однофазных трансформатора, первичные и вторичные обмотки которых соединены в схему от- крытого треугольника (сравни с рис. 22). Условия работы схемы не изменятся, если эти два транс- форматора будут заменены од- ним трехстержневым с двумя об- мотками, соединенными в откры- тый треугольник (см рис. 24). Как и в предыдущей схеме, на- пряжения в фидерных зонах будут совпадать по фазе с линей- ными (а не фазными) напряже- ниями липин передачи или будут им противоположны (рис. 30, б). Обратим вни- мание на некоторые особенности, которые надо учитывать при со- ставлении схемы рис. 30, а. Составив из двух трансфор- маторов схему открытого тре- угольника (начнем, например, с подстанции № 2), можно при- соединить три зажима первичной обмотки к любым фазам линии передачи, например так, как это показано па рис. 30, а. На вто- ричной стороне общую точку а., придется присоединить к рель- сам, а зажимы Qi и в любой Рис. 30. Схема питания участка однофазного тока через трансформаторы, соединенные о схему открытого треугольника, от линии пере- дачи, питаемой с одной стороны.
зон например так, как это омбипаиии к контактным "Р“юмм “ схему' присоединения обмоток показано па рис 30, о Выбрт> Г, «™ “од>ы вРвь,боре схемы прт.сое- трансформатора полстзнпнн * обеспечить параллельную ЛИпеиня обмоток подстанции /.если хот работу по тяговой сета. Кроме того чтобы Раиомерло £ щ.,Й дачи, будем иаиболес нагруженную фму^У. И пр Д ( 2 вывод) поочере/шо подключали к различным фазам л. обеС„гаЯ1„я па- кфазеВ, нн подстанции № 3 к фазе С »т. д. и Д „ансфор. раллслыюй работы по с™,£ „’е, 1!ак правый подстанции Ле 2. ПрХмХа'С присоединенная кфазе С линии, должна быть обшейв схеме пткоытого треугольника (мы условились поочередно менять наиболее затру- жегшую фЖ Тогда оставшийся третий вывод остается лишь присоединить кфазе / Таким же образом следует переходить к ™°“ п"7*"™' В результате и будет получена схема, изображенная на рис. 30, а. 11од фидер- ными зонами показано напряжение липни передачи, с которым совпадает по фазе напряжение в контактной сети. Везде, где к контактному проводу присое- динен зажим а, мы имеем положительный знак, где х отрицательный. (Векторная диаграмма показана ла рис. 30, б) Схема питания участка при использовании трехфазных трансформаторов У/Л получается более сложной и для ее построения необходимо удовлетво- рять ряд особых требовании. Рассмотрим способ построения такой схемы пи- тания (рис. 31). Пусть па линии имеется ряд подстанций под номерами 1, 2, S, питаемых* от одной и той же продольной трехфазной линии пере- дачи. Схему соединения обмоток на подстанции Л?< / возьмем такой же, как па рис. 19, а. Однако, в отличие от схемы рис. 19, а, соединим точку b с левой фидерной зоной, а точку а— с правой. При этом наиболее загруженными яв- ляются фазы первичной обмотки трансформатора и линии передачи, обозначен- ные буквами А и С. Как уже отмечалось выше, наименее загруженной являет- ся фаза на вторичной стороне, которая непосредственно не присоединяется к рельсам, т. е. наименее загруженной оказывается в данном случае фаза by и соответственно В. Если сохранить группу соединения трансфор*матора и схему его присоединения к линии передачи и для остальных подстанций, то на этих подстанциях окажутся наиболее н наименее загруженными те же самые фазы, что и на первой подстанции. Для уменьшения несимметрия нагрузки схему при- соединения меняют так, чтобы поочередно загружать все фазы линии передачи. Однако теперь, после выбора схемы соединения иа первой подстанции, мы уже не свободны в выборе схемы присоединения смежных (справа и слева) подстанций, так как при параллельной работе каждая фидерная зона контакт- ной сети слева и справа должна питаться от одних и тех жефаз энергосистемы. На схеме рис. 31 фидерная зона / имеет напряжение — Uc, а зона // Сл. Пусть рассмотренная подстанция/ является первой (крайней левой) подстанцией, а все остальные вторая, третья и т. д. — расположены правее первой. Во вторичной обмотке подстанции 1 (см рис. 31) соединяются: а с у; b e zeex. 1 Случается группа соединения трансформатора Y/Л — Ц Посмотрим, какой дмжпа быть схема соешиеппя трииоформатора на вто- рой подстанции На первой подстанции наименее загруженной была фаза В, поставим условие. чтобы на второй подстанции наименее загруженной оказалась «следующая, фаза С. Следовательно, во-первых. 11 фидерна,она для обеакче- ZSZS”",'’'"* “ BTOpOii "°Л™™Р ДОДЖАХ™™ ОТ- ТОГО же напряжения б„. т. е. точка х должна бить присоединена к пгтьсам. Во-вторых, ЧТОбЕ ПО.ТТЧНТН ггаимепьтную присоединяться к пелы™ Lp твУющая еи Фаза сг не должна непосредственно ZXZi’tZ ® pe3>'J,LraTC “° вторичной обмотке х можно сое- динить только с ь Тогда у соединяется с с, z с а следгжятрлыт mi > nnnvuitM группу соединения траноЬооматопя Y/л t п/ 'ждователы,о> мы полУ шм ”р5а^ как к рельсам присоедаеед точки Ь, то питание Ш фвдерной зоны может беда
теперь осуществлено только путем присоединения точки с или, что то же, у к контактному проводу III фидерной зоны (см. рис. 31). Соответственно тран- сформатор третьей подстанции получит группу соединения Y/д—11- С точки зрения проектирования, строительства и эксплуатации удобнее иметь трансформаторы одной группы соединения, тем более, что в СССР стан- дартом на трансформаторы предусмотрена группа соединения Y/д— 11. Поэ- тому при разработке схемы питания оттранс()юрматоров Y/Д была поставлена задача — использовать только группу соединения Y/д—11. Как известно, группа соединения Y/д— 11 отличается от группы соединения Y/д— 1 схе- мой соединения концов вторичной обмотки. Соединение это выполняется при Рис. 31. Принцип построения схемы питания участка однофазного тока через трансформаторы со схемой со- единения х/д. Обозначения позиция то же, что на рис. 19 изготовлении трансформатора и в условиях эксплуатации изменено быть не мо- жет. Таким образом, на подстанции, где по схеме получается группа соедине- ния Y/д—!, необходимо эту группу заменить иа группу Y/Д — 11, причем так, чтобы векторы на- пряжения, подводимого к тяговой сети, остались бы без изменения (так как иначе станет невозможной параллельная работа по тяговой сети с фидерами остальных, «нечетных» под- станций). Как известно (см. рис. 19, «и 21, в), век- торные диаграммы групп соединения 11 и 1 отлича- ются тем, что в первой низ- шее линейное напряжение (у нас вторичное) опережает высшее (у нас первичное) на 30°, тогда как во вто- рой — низшее напряжение отстает от высшего. Все это при обычном направле- нии вращения векторов, т. е. против часовой стрелки. Отсюда ясно, что если изменить направление вращения векторов, то упомянутые векторные диаграммы поменяются местами. Таким образом, если мы изменим направление вращения векторов трехфазной системы, от которой питается трансформатор группы 11, то получим то же расположение векторов первичной и вторичной сторон, как при группе 1 п нормальном вращении векторов. Этого можно достигнуть за счет изменения схемы присоединения первичных обмоток трансформаторов чет- ных подстанций к фазам линии передачи. Следовательно, если мы хотим со- хранить на второй подстанции вторичное напряжение Uax = Ua неизменным, а группу соединения изменить с Y/д — 1 на Y/д — 11, надо зажимы тран- сформатора второй подстанции С к В присоединять соответственно к фазам линия передачи В и С (а не к фазам С и В),т. е поменять их местами. Кроме того, по конструктивным соображениям, желательно, чтобы на всех подстанциях к рельсам присоединялся одни и тот же вывод вторичной обмотки (например, с). В этом случае конструктивные решения распредустройства для различных подстанций получаются однотипными. Для большей ясности проследим по этапам (рис. 32), как составляется та- кая схема с учетом всех изложенных соображении в пожеланий До сих пор мы соединяли фазы линии передачи с одноименными фазами трансформаторов В связи с изложенными соображениями придется менять схему присоединения Для удобства дальнейшего изложения снабдим обозначения начал первичных 41
р вместо Л В и Сбудем писать Лт, обмоток трансформаторов В к С. Подготовим на схе- Втн Ст, сохранив для ЛНИШ1 рс . обозначенными с левою конца, откуда покажаГк^т^^^ст' (нейтральными вставками) укХой годставц™, и рельсы. На всех обмотках трансформатора нокажеммар- кировку концов, снабдив их на первичной стороне, как было указано, индек- С° 1 В выборе схемы соединения первой подстанции мы свободны. Пусть она будет такой, как это было показано на рис. 31. Условимся, что на всех подстан- Рис. 32. Схеме питания ^астка однофазного тока через трехфазные трансформаторы ЪМ — II от линии передачи, питаемой с одной столоны- о схем, прхсосдк™ трз.-сфермтеро.; ^££<4™» диаграмма. Обозначен™’похнцнй те же. циях у трансформаторов будет присоединена к рельсу точка г кгпги.шюй обмотан. Теперь п, панне смежных фидерах зон „а ксх подстанциях в. а Л Слабозагруженной фазой аторичиой обмотки всех гтппмч,. » « „г, и соответственно на первичной стороне фаза В Подста»и'1и будет ab Для получения более симметричной нагоучкм’лтпл,, „ , . недогруженную фазу трансформатора подстав в п’"5’0Черед,,° (по кРугу) ным фазам линии передачи. И Д аннин Вт присоединять к различ- на первой подстанции менее загруженной окячяна^ а, г> валю на следующих примем С, А В оказадясь фаза В. Соответст- дочками на рис. 32, а. Следовательно ’ ччжД, ‘ Д” Уак Это отмечено звез- присоединяться уже не к одноименным фа^м я Р^ж,ЮрМатора В' долЖеН дочкой, как это показано на рис 32 a BmL «фазам, отмеченным звез- обмотки показана фактическая фаза’ системы °ЧКЯХ °K<V10 ^)азь1 “ервичной
Все остальные фидерные зоны также будут получать питание от точек <1 и и, ио в выборе фазы для питания каждой фидерной зоны, как и при со- ставлении схемы рис. 30, а, мы уже не свободны, после того как выбрали схему питания от первой подстанции. Действительно, фидерная зона IIслева питается от точек дне (фаза ах), следовательно, от этих же точек опа должна питаться и справа (на рис. 32, а показано пунктиром с точкой). Это же опреде- ляет и схему присоединения зажима Дт к фазе линии передачи А, иначе йас первого и второготрансформатора не совпадут по фазе (на рис. 32, о тоже пока- зано пунктиром сточкой). Остающийся свободным зажим трансформатора Ст должен быть соединен с фазой В. В кружочках около Дт и Ст показаны фазы энергосистемы. Сопоставляя схему первой и второй подстанций, видим, что у второй мы изменили последовательность фаз- Если на первой подстанции мы имели на первичной обмотке обычную последовательность фаз АВС (век- торов напряжений), то на второй имеем обратную АСВ. Именно поэтому, как Вис..... to Баз. — to» 1.1- Баз. — to.-—- — и I. , ,гр , пр * гуъ Рис. 33. Схема питания участка однофазного тока через трехфазно-двухфаз- иые трансформаторы (схема Скотта). Обозначения позиция те же. что на рис. 26 уже было отмечено, трансформатор группы Y/д — 11 дает такое же располо- жение векторов первичных и вторичных напряжений, как трансформатор группы Y/д — 1 при соединении зажимов трансформатора с одноименными фазами ЛЭП. Далее построение схемы развивается тем же путем. Питание ///зоны от подстанция Л® 2 возможно только от точки Ь. От подстанции Л« 3 питание этой зоны также должно производиться от точки b и т. д. Следовательно, все нечетные зоны будут получать питание от точек b (пунктир) и все четные — от точки а (пунктир с точкой). Так как мы везде будем вести речь о напряжении между контактным проводом и рельсами, то на четных зонах оно будет положи- тельным, а на нечетных — отрицательным, т. е. совпадающим по фазе с на- пряжением одной из фаз ЛЭП или ему противоположным. Остается определить схему присоединения свободных концов первичной звезды трансформатора к фазам ЛЭП. Так как III фидерная зона слева питается от фазы Ьс, то в справа в первичной звезде луч Ст па подстанции Л5 3 должен также присоединяться к фазе В. Следовательно, Дт будет присоединяться к фа- зе С. Проще можно поступить так: раз все зажимы Вт уже присоединены к ЛЭП и, затем, все нечетные подстанции будут иметь прямую последователь- ность фаз (Д ВС) на клеммах первичной стороны, а четные — обратную после- довательность фаз (АСВ), то нетрудно, идя от Вт, наметить и остальные фазы (на рис. 32, а показаны в кружочках). Внизу рис. 32 показаны фазы, с ко- торыми совпадают напряжения я тяговой сети и соответствующие положения векторов. Все соображения, изложенные выше применительно к схеме с однофазны- ми подстанциями, о влиянии расположения подстанций и числа их на равномер- ность нагрузки полностью сохраняются и для подстанции с открытым пли пол- ным треугольником па вторичной стороне, т. е. желательно число подстанции
„меть кратким трем, а средаюю „афузку - одинаковой у различных под- "“пт, пвямсиенш трсхфазио-двухфазных трансформаторов соединенных но ехемГКГ" нХ.гатиЛх подстанций от трс'хфазнои линии передачи получает вид рис 33. Обычно при использовании этих трансформаторов зона ХТотндататин получас г питание от одной вторичной обмой» трапсформа- Гзова справа - от другой (см. рис. 33). При зтом все иечеттше фидерные LEu получают гагате от «базисных» трансформаторов, а все четные от «иысот- ПЫХ» . Таким образом, напряжения всех четных фидерных зон совпадают ио фа- зе между собой, но сдвинуты относительно первых на 90 . пч ГГуП "Гр г Рис. 34. Схема питания двухпутного участка однофазного тока через трех- фазно-двухфазные трансформаторы (схема Скотта) при питании каждого пути от своей вторичной обмотки: S—контактная сеть первого пути; 4—то же второго пути; S—рельсы; б—воадушиыП промежуток; остальные обозначения те же, что на рис. 33 Из изложенного выше ясно, что при нагрузках фидерных зон слева н спра- ва от подстанций, равных по величине, я равномерная нагрузка фаз трехфазной системы. Ни в одной из приведенных выше схем питания участков (см. рис. 28—• 33) мы не выделяли вопроса о витании двухпутных участков, поскольку схе- мы их присоединения к тяговым подстанциям были описаны ранее (см. рис. 16, б). Схемы же соединс- а) ЛЦ1 №1 1W /ГЗ № ff’S ГП Рис. 25. Порядок чередования наименее за- груженных фаз линвн передачи: с—при трех подстанциях; в—при шести подстан- циях; ПЦ1. ПЦ>—питающие- центры с— П Мз /п т н°б лиг Г ,], (, _4—,—с Зб‘ Горилок чередования наименее загруженных фаз ливни передачи, обес- печивающий наиболее равномерную на- с® "р" шес™ подстанциях и двустороннем питании липин передачи пня трансформаторе." на подстанции и па участке в аи» ... как» количество путей имеет рассмярвЕ, ",,™ ИК''" ОТ Т°Г°’ В Японии на линии Токайдо (101 схема Скотт, „4 иным образом. На двухпутном участке ?ягова™сетьт',льз°ю,|а вескими леняя питается от базисного трансформатора а ” 0ДПОТ0 |,:"Ч,1Г’ от высотного трансформатора (рис. 34 Этодат ,т>Гого П>'т" инн даюкения поезда по главным путям „еустм4?т™ кем "Ртя11и и секционировать сеть воздушными промежуткам4,-4."“"Ральпых вставок ется при постоянном токе. Однако наSS ме,44 небольшом протяжен,,и устраивать вейтральпвю г" "eo6*°»™° жет себя оправдать только на линиях гле . “стаоЮ1- Така>1 система Мо- нях, где ист разЕ„тых станций и число
съездов невелико. Следует также отметить, что на линии Токайдо во избежа- ние протекания уравнительных токов по тяговой сети подстанции через кон- тактную сеть не соединяются (см. рис. 34). Схемы двустороннего питания группы тяговых подстанций от линии пе- редачи. При схеме одностороннего питания ЛЭП было показано, что для равно- мерной нагрузки фаз питающего центра наиболее загруженные или, наоборот, разгруженные фазы подстанции для всех рассмотренных схем (кроме схемы Скотта) поочередно подключаются то к одним, то к другим фазам линии переда- чи. Круг или цикл этих переключений захватывает три подстанции. Каждые три подстанции, если они одинаково нагружены, дают равномерную нагрузку в начале трехфазной линии передачи. Следующие три подстанции при тех же условиях также дают равномерную нагрузку и т. д. При питании линии переда- Рнс 37. Схема питания участка однофазного тока через однофазные трансформаторы при двустороннем питании линии передачи. Обозначения позиций тс же. что на рис. 28 чп с двух сторон такая схема с циклом или несколькими циклами из трех подстан- ций уже не обеспечивает равномерной нагрузки фаз питающих центров. Как это показано на рис. 35, подстанции с одинаковыми менее загруженными фаза- ми расположены несимметрично по отношению к питающим центрам, поэтому последние загружаются неравномерно. Так, на обеих схемах фаза А левого пи- тающего центра ИЦ будет загружена меньше, чем правого и, наоборот, фаза с у левого будет загружена больше, чем у правого (менее загруженные фазы по- мечены звездочками). При схеме из трех подстанций даже при равной нагрузке подстанций равномерной нагрузки фаз питающего центра добиться невозможно. При шести подстанциях и при равной нагрузке подстанции этого можно добиться, если подстанции присоединить так, чтобы наименее загруженные фазы располагались по линии симметрично относительно середш1Ы (рис. 36), для чего на рис. 35, б достаточно схемы присоединения подстанций № 4 и № 6 поменять Полная схема для тяговых подстанций с однофазными трансформаторами показана на рис. 37.а. Принципиально нового, отличного от схемы рис. 29, здесь нет. Только перемена концов на четных подстанциях выполнена на первичной

стороне. В тяговой сети последовательно чередуются три различных вектора напряжений (рис. 37,6). ~ При тяговых подстанциях со схемой соединения трансформаторов в откры- тый треугольник и двустороннем питании линии передачи также приходитсн схемы присоединения подстанций выполнять симметричными относительно середины участка (рис. 38, с). В этом случае в тяговой сети чередуются четыре различных вектора напряжений (рис. 38, б). Аналогичное решение получается и при схеме подстанций Y/д— 11 На рис. 39 приведена такая схема. Последовательность рассуждений и по- строений та же, что и для схемы рис. 32. Как и ранее, намечаем последо- вательность подключения наименее загруженной фазы Вт к линии передачи, присоединяем к рельсам одну и ту же точку всех вторичных обмоток и пов- торяем схему присоединения первых трех подстанций. Схема присоединения подстанции Л5 4 точно такая же, как подстанции Л5 3. Так как /V фидерная зона слева питается от обмотки ах, следовательно, и справа контактная сеть будет подключена к точке а. Схемы присоединения подстанций попарно совпа- дают: Л» 1 с Л5 6, № 2 с Л'15 и № 3 с Л'1 4. Направления векторов напряжений в тяговой сети до фидерной зоны IV повторяют схему рис. 32, а затем векторы начинают поворачиваться в обратную сторону, поочередно повторяя положения векторов напряжений предыдущих фидерных зон (см. внизу рис. 39, а и вектор- ную диаграмму рис. 39, б). Таким образом, в тяговой сети чередуются четыре различных вектора напряжений. Схема рис. 39 широко применяется на электри- фицированных участках переменного тока нашей страны. Обычно на схемах пи- тания и секционирования контактной сети различные фазы напряжений обозна- чаются различными цветами. Тогда аместо фаз Л,—В, Си—С обозначают соот- ветственно «желтая», «зеленая»,«красная» п «красно-белая». При односторон- нем питании линии передачи также применяется схема рис. 39, так как число различных фаз в тяговой сети при этой схеме меньше (четыре), чем в схеме рис. 32 (шесть). Особенности схем питания подстанций в реальных условиях. Как было ого- ворено в начале § 4, мы рассматривали все схемы питания для несколько идеали- зированных условий. Практически подстанции стремятся располагать на круп- ных железнодорожных станциях. При этом по условиям профиля, неравенства расстояний между подстанциями, а иногда и изменения грузопотока даже сред- ние нагрузки подстанций получаются различными. В этом случае даже число подстанций, кратное трем (или шести прн двустороннем питании), не обеспечи- вает равномерной нагрузки фаз питающих центров энергосистемы. Ниже при рассмотрении влияния несимметричной нагрузки трехфазной системы на работу' энергосистемы и потребителей будет отмечено, что несиммет- рия напряжения определяется в большой степени падением напряжения в про- водах линии передачи. Последнее же зависит от нагрузки и расположения тяго- вых подстанции. Нетрудно прийти к выводу, что как бы мы ни симметрировали нагрузки, получить одинаковые потери напряжения во всех фазах не удастся, так как несимметричные нагрузки располагаются на различном расстоянии от питающих центров (см. рис. 35 и 36). Усугубляется это положение приня- той на практике схемой питания тяговых подстанций (см. рис. 8). Присое- динение подстанций поочередно то к одной, то к другой линии передачи уси- ливает неенмметршо нагрузки в каждой отдельной линии и несимметрню расположения относительно питающих центров или опорных подстанций. Все эти соображения нужно еще дополнить тем, что нагрузка тяговых под- станций подвергается непрерывным изменениям в большом диапазоне и практи- чески никогда нагрузки отдельных подстанций не бывают равны друг другу. Исходя из всего этого, надо сделать заключение, что описанные выше раз- личные схемы питания электрифицированных участков, хотя и позволяют более равномерно загрузить линии передачи, но отнюдь не решают всей проб- лемы несимметрии. На практике вопросы несимметрии тока и напряжения нужно решать, только исходя из конкретных условий. Вопросы несимметрии будут рассмотрены ниже (в главе IV) более подробно. 47
§ 5. ПИТАНИЕ НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ Основной особенностью электрификации железных дорог в СССР является то, что системам энергоснабжения, создаваемым для питания электрических железных дорог, всегда присваиваются н функции системы, питающей все- возможные районные потребители. В этой особенности кроется одно из глав- нейших преимуществ электрической тяги. Переход на электрическую тягу, кроме ряда преимуществ, создаваемых непосредственно для перево- зочного процесса, в корне меняет условия работы самих железных дорог и прилегающих районов как с точки зрения производства, так и быта. Поэтому Рис. 40. Схемы питания нетяговых потребителей по линии ДПР (два провода — рельсы) от тяговых подстанций пере- менного тока с трехфазньдан трансформаторами: о—раздел питания в середине фидерной зоны; б—раздел питания в конце фидерной зоны; I— тяговый трансформатор-, 2 —понизитель- ный трансформатор потребителя; 3—линия для питания истяговых потребителей; 4—контактная сеть; 5—рельсы задача обеспечения электроэнергией всех «нетяговых» потребителей, лежащих в районе железных дорог, является весьма важной. Конечно, все эти сообра- жения относятся к случаю, когда электрифацирусмая железная дорога проходит вдали от развитой сети энергосистем, так как в противном случае и до элек- трифакации «нетяговые» потребители имели возможность получать дешевую электрическую энергию высокого качества. Кстати, ие следует думать, что в связи с этим в районах с развитыми сетями энергосистем электрическая тяга теряет часть своей эффективности. Проигрывая на эффекте от питания нетяговых потребителей, она выигрывает от того, что затраты на развитие энергосистем для нужд электрической тяги в этом случае резко уменьшаются Исходя из всего изложенного, в проектах электрификации железных дорог предусматривают питание от тяговых подстанций железнодорожных летя- говых потребителей и районных потребетыей (городов, сельского хозяйства 10 Й . питание осуществляется либо специальными линиями передачи одеотгаийЗТ"™*0 °Г ™ГОЮЙ ""бо от ЛЭП продольного S та™?™"’™ '• ?переда'"'’ ?>дкше»1юй на опорах кодтактиой им Щ ™тан"е m тяговой подстанции. Такая система пята- НИЯ позволяет закрыть мелкие электрические станции выработка энергии m которых всегда сопряжена о большими расходами вь,раоотка анеРг||н "а 48
ЧОкВ 1Юкв пока пока Рис. 42. Схема питания иетяговых потребителей от подстанций с однофазными тяговыми транс- форматорами. соединенными в открытый тре- угольник* б —понизительный трансформатор во подстанции; осталь- ные обозначения тс же, что на рис 40 кя '(мп дсп епЧН ПрИэлектР«Ф«ации на однофазном токе имеет п^Л^тк 40\РрИ /М0ЩНЫХ потребителях напряжение этой линии Л J „ 35 Ке (РИС- 4‘)' ПР« электрификации на постоян- ном токе, где расстояние между подстанциями значительно меньше, принимают напряжение в про- дольной ЛЭП-10 кв. На подстан- '— цпях постоянного тока при двой- ной трансформации используется вторичное напряжение тех же трансформаторов (10 или 35 кв), от которых получают питание н преобразовательные агрегаты (см. рис. 11), либо, если для района желательно иметь и 35 кв, и 10 кв, в качестве понижаю- щих применяются трехобмоточ- ные трансформаторы. Третья обмотка имеет напряжение в этом случае 35 кв для питания нетяговых потребителей. Схема питания нетяговых потребителей на тяговых подстанциях одно- фазного тока зависит от принятой схемы соединения трансформаторов на тяговой подст.цщни Если а подстанциях используются однофазные транс- форматоры со схемой сослпнишя обмоток в открытые треугольник, прихо- ЛЧТСЯ ити иатетаиоику сицшиимх трехфазных понизительных транс- форматор™, иолуннкдах питание непосредственно о, высоковольтной липни передачи (рис. 42). 3 К. Г, Марцпардт
Пг>и испочиоваппи трехфаэш» трансформаторе!! применяют треховмо- T«,S со схемой Y/Y/Л. На рас. 43.о приведен, такая ™ “Г тагХ^асть которой аналог.гои рас. 19.0. а вторая звезда транс- фотитора°иредназвачается для питания районных потребителей. Векторная диаграмма тяговой нагрузки (рис. 43,6) аналогична диаграмме рис. 20. но показаны только векторы токов фаз тяговой обмотки /„, It, /„ полученные ври разложении токов нагртаки 1л и /п и сдвинутые относительно некто; ров соответствующих напряжений на разные утлы фо. ф*. фс- На век।Орион диаграмме рис. 43, о к токам тяги прибавляются токи симметричной район- ной нагрузки ?ра, 7Рь /рг. равные по величине и сдвинутые от секторов Рис. 44. Схемы пи- тания линии ДПР; а—с секционирова- нием, б—вез секцно- инровлипк: Т /— пыключатс.1ь/2 — устройство АВР; 3 — зчния ДПР. J — рельсы напряжения на равные углы <рР. При принятых в § 4 условиях сумма токов тяговой и районной нагрузок дает токи соответствующих фаз первичной обмотки /д, /с, /с. сдвинутые от векторов напряжения на углы фд, фй, фс • Из рис. 43,6 видно, что наличие районной нагрузки приводит к снижению несимметрия токов, создаваемой тяговой нагрузкой. Продольная линия передачи обслуживает потребителей, расположенных в полосе до 30—50 км от железной дороги Осуществляется такая линия пере- дачи на дорогах однофазного тока путем подвески двух дополнительных (к контактной сети) проводов на опорах контактной сети и с использованием рель- сов как третьего провода трехфазной цепи. Эта система получила название ДПР (два провода — рельсы) (см. рис. 40). Попытки использовать в качестве одного из воздушных проводов контактный провод (так называемая система КРД—контактный провод — рельсы — дополнительный провод) себя не оправдали вследствие несимметрии и колебаний напряжения, а также неже- лательной электрической связи контактной сети и нетяговых потребителей. Линия ДПР нормально получает питание с одной стороны (рис. 44) кон- сольно, во избежание перетоков энергии по этой относительно маломощной линии, либо из-за того, что смежные подстанции на вторичной стороне имеют разные фазы. Действительно, только на одной трети всех фидерных зон можно получать по линии ДПР одинаковое по фазе напряжение от смежных подстан- ций. В этом нетрудно убедиться, рассматривая чередование фаз в контактной сети. Например, на рис. 39 это возможно в фидерной зоне IV (и от левой, н от правой подстанций дополнительной будет фаза — В). На остальных же фи- дерных зонах от левой и правой подстанций дополнительными к фазе кон- тактной сети будут две разные фазы. В связи с этим линия ДПР на участке между подстанциями получает питание либо от двух подстанций (рис. 44, о) ° Раз^е''№н,1ем посередине, где располагается автоматический переключающий у । , соединяющий обе половины линии при снятии на одной из них на- Г£^ГИ„Я’гТ‘ е исполняющей функции АВР (автоматическое включение рс- °Т 074,0,1 ,’°Дста»»1ИИ (справа или слева) (см. рис. 44. б). Здесь па пРсДУс-'®П>«вается АВР на случай, если линия отключается вляется обычип°пт?”^1И 016011 “ОЩНости ОТ таких линий передачи осущест- ПРИ помощи комплектных трансформаторных подстанций-
Г лава 11 СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ § 6. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА И ТОКА В РЕЛЬСАХ НА УЧАСТКАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА Участки с сосредоточенными нагрузками. Питание электрических локо- мотивов осуществляется через провода контактной сети и рельсовые пути. Поскольку рельсы не изолированы от земли, то ток проходит и по земле. Это последнее обстоятельство оказывает существенное влияние на ряд рассмат- риваемых ниже явлений и, в частности, на сопротивление тяговой сети. По- этому, прежде чем рассматривать непосредственно сопротивление тяговой сети, оценим картину потенциалов н токов в рельсах. Если бы рельсы были изолированы от земли, то весь ток локомотива ! протекал бы по рельсам на участке АВ (рис. 45). На рис. 45 и последую- щих принято, что положительный полюс подстанции присоединен к кон- тактной сети, а отрицательный — к рельсам. В реальных условиях рель- сы через шпалы и балласт в очень большом числе точек соединены с землей. Вследствие этого потребляемые поездами токи протекают частью по рельсам, частью по земле, как по параллельно присоединенному к рельсам проводнику. Ток утечки из рельсов в землю зависит от разности потенциалов между рель- сами и землей и от величины сопротивления, по которому протекает этот ток. Эго сопротивление состоит как бы из двух, последовательно соединенных: пер- вое— сопротивление мест перехода тока из рельсов к шпалам и балласту, ко- торое называют переходным сопротивлением; второе — сопротивление самой земли на пути тока утечки, называемое сопротивлением растеканию. Общая картина протека- ния тока по рельсам и земле для простейшего случая (одно- стороннее питание одного по- езда) представлена на рис. 46. По мере распространения то- ка в земле он захватывает все большие и большие массы ее, и плотность тока в земле с -|ф' ф' Я в Рис. 45. Схема протекания тока но рельсам без учета утечки в землкг J—подстанции} 2—потребитель (электровоз} удалением его от рельсов уменьшается. Ввиду этого наибольшее сопротивление протеканию токов утечки сосредоточено вблизи выхода их нэ рельсов. Это позволяет без ощутимой по- грешности прн расчетах токов и потенциалов рельсов включить сопротивление растеканию в переходное сопротивление и считать затем, что сопротивление земля рашго нулю. В результате такого допущения схема рис. 46 заменится расчетной схемой рис. 47, на которой показано соединение рельсов с землей через переходные сопротивления. Легко видеть, что ток I из точки В будет протекать к точке Л, ответвляясь от точки В не только влево (участок I), по и вправо (участок II). Точно так же и возвращаться на подстанцию ток бу- дет не только через рельсы участка /, но и через рельсы участка III 3’ Sf
Рис 46 Принципиальная схема протекании тока по рельсам и земле па участке железной дороги по- стоянного тока при одной подстанции и одной на- грузке: /—тяговая подстяицнг ?—нагрузка; 3—контактная Сеть; 4—рельсы; 5—земля; /—ток в контактной сети. —ток в рельсах на расстоянии х от нагрузки Таким образом, даже при одной подстанции ток электровоза растекается по рельсам в обе стороны (влево на / участке и вправо на II участке) При этом на части участка АВ, ближайшей к нагрузке, ток из рельсов утекает в землю а затем на другой части возвращается в рельсы и на подстанцию. В середине этого участка ток в рельсах имеет минимальное значение; он будет тем меньше, чем меньше сопротивление перехода между рельсами н землей и самой земли Ток, идущий по рельсам вправо от нагрузки, в конце концов полностью утекает в землю. Этот ток, так же как и ток, утекающий из рельсов па ближайшей к нагрузке части участка АВ, возвра- щается в рельсы на другой части участка и на участке слева от подстанции. Токи, протекающие по земле, назы- вают блуждающими токами, а токи, ответвляющиеся из рельсов в землю — токами утечки. Ответвление части тока в землю приводит к тому, что сопротивление обратного провода (рельсы, шунтиро- ванные переходным сопротив- лением и землей) меньше со- противления изолированного от земли рельсового пути. Рассмотрим общую схему нагрузки рельсовой цепи участка электрической железной дороги (рис. 48, а). На этой схеме показаны три подстанции и семь нагрузок Чтобы перейти к расчету токов в рельсах и земле, нужно прежде всего найти нагрузки всех подстанций. Прн точном решении этой задачи нужно было бы учесть, что токи текут к подстанциям не только по рельсам, но и по земле, т е. учесть, что распределение нагрузок между подстанциями зависит Рис 47. Расчетной схема для определения токов в рельсах и земле на уча- стке железной дороги постоянного тока I—подстанция; 2—погрузка- 3 — контактная сеть 4~рельсы; 5—переходное сопротив- ление; 6— проводник (с содротиоленисм. рапным нулю). замеияющнП землю не только от сопротивления проводов контактной сети, но и от сопротивлений рельсов и земли. Такой метод приводит к очень сложным выкладкам. Для уп- рощения расчета токораспределения между подстанциями можно пойти на не- которые допущения, которые не внесут ощутимой погрешности При хорошей изоляции рельсов от земли, т. е. при отсутствии утечки токов в землю паг- ИРКИ поездов могут быть распределены между подстанциями обычным спосо- бом, т е. обратно пропорционально расстояниям до соседних подстанций (при неизменном сечении проводов контактной сети п одинаковых напряжениях тшоных подстанций). Если же переходное сопротивление от рельсов к земле Судет таково, что зиачнтедыии часть тока Судет протекать по земле, то при распределении нагрузок между подстанциями можно пренебречь сопротипле- внем обратного провод,, (рельсы, шунтированные земле?,), так как oSowZo меньше сопротивления проводов контактной сети Последнее и будет опре-
делить, в основном, токораспределение в таком случае. Другими словами, мож- но считать, что блуждающие токи не оказывают существенного влияния на токораспределение между подстанциями. После того, как нагрузки всех подстанций найдены, можно от схемы рис. 48, а перейти к расчетной схеме рис. 48, б, ла которой подстанции заменены их нагрузками (токами отсасывающих проводов) /«, 4з- Здесь введены кТ . Л Г- Ик. Рис. 48. Схема с тремя подстанциями и сосредоточенными нагрузками: о—схема расположения нагрузок; б—расчетная схема: /—тяговые подстанции; 2—ре: СЫ; /,—Г,—токи электровозов; /„,—7tt—токи подстанций обозначения: гр — сопротивление 1 км рельсового пути в ом/км; г„ — переход- ное сопротивление от рельсов к земле на длине 1 км в ом-км; г3 — сопротивле- ние земли. Размерность ом-км объясняется тем, что все «элементы» переходных сопротивлений соединены между собой параллельно, т. е. с увеличением дли- ны рельсового пути общее переходное сопротивление падает, в то время общее сопротивление рельсов растет. Если величины гр и гп постоянны по всей длине, то мы получаем цепь с постоянными параметрами, т. е. линей- ную цепь. При расчете таких цепей мо- жет быть использован метод наложения. Рис. 49. Схема с одной сосредоточенной нагрузкой В этом случае сложный контур, содержа- щий ряд подстанций и нагрузок, можно заменить рядом контуров, в каждом из которых протекает определенный ток, как это показано для одной из нагрузок на рис. 49. Это приводит к расчетной схеме с одной нагрузкой при удаленном в бесконечность заземлителе (рис. 50). При этом поочередно будут рассмотрены hx Рис. БО. Расчетная схема с одной сосредоточенной нагрузкой все нагрузки, включая и токи подстанций. На рис. 50 обозначено: 1рх — ток в рельсах на расстоянии х от нагрузки; /3, — ток в земле на том же расстоянии от нагрузки; — потенциал рельса на расстоянии х от нагрузки Рассмотрим элементарный участок <1х на расстоянии х от нагрузки. Со- противление элемента рельсовой цепи на длине dx равно rpdx. Тогда при- ращение потенциала рельсов на этом же элементе длины, очевидно, равно по величине и противоположно по знаку падению напряжения на нем (9) 53
откуда dx Положительное направление тока принято здесь совпадающим с положитель- ным направлением оси х. Утечка тока на протяжении элемента длины dx определится потенциалом рельса и переходным сопротивлением между рельсами н землей на длине dx. Последнее получится, если переходное сопротивление па длине 1 км раз- делить на длину рассматриваемого участка, т. е. будет равно Следо- вательно, утечка тока из рельсов в землю на длине dx будет равна dx А так как приращение тока (d/px) в рельсах на длине dx равно по абсолютной величине току утечки и обратно ему по знаку, то можно написать <1/рх = —Ь<|х, (Ю) откуда dlpx (ЮЭ Гп ' Знак минус показывает, что с увеличением х (см. рис. 50) ток в рельсах падает Два дифференциальных уравнения (9') и (10') представляют собой систе- му уравнений с двумя неизвестными. Для исключения из них одного неиз- вестного продифференцируем уравнение (9') по л d2tpr_ dlpx d&~ f dx ' откуда d!pX _____1 d-tpx dx Гр ’ tlx2 ' Подставляя значение в уравнение (I O'), получим; ___£ dsyx _ <pt К ' dx' 77 или где Общим решением уравнения (И), как известно, будет выражение Ф^Ае^Ч-Ве-**. Ток в рельсах можно найти из уравнения (9 ) I — 1 ‘fX =--— . Гр dx 54
Но из уравнения (12) = k (Aekx — Be~kx), следовательно. /р* =------ (Aekx — Be-**), (13) где Рис. 51 Расчетная схема с одной сосредото- ченной нагрузкой П участками конечной длины Формулы (12) и (13) являются общими. Для различных случаев конкрет- ного расположения нагрузок надлежит устанавливать значения постоянных Л н В несоответствующим граничным условиям. Величины k и яг для рельсовых цепей по аналогии с терминологией, принятой для длинных линий, можно наз- вать соответственно коэффициен- том распространения и волновым сопротивлением. В качестве наиболее общего случая рассмотрим схему рис. 51 с двумя участками—Л? 1 и 2. Для большей общности в схеме предусмотрено сосредоточенное за- земление /?а около нагрузки. Та- кая схема возникает, если под со- средоточенной нагрузкой понимать нагрузку подстанции и в случае, когда минусовая шина подстанции соединена с защищаемым от блуждающих токов подземным сооружением (см. главу XI), или если такое соединение воз- никло временно в результате нарушения нормальной схемы. Если сосредото- ченное заземление отсутствует, то в формулах следует принимать величину 7?а = со. Уравнения (12) и (13) для участков слева н справа напишутся в виде: — № <*'—В, е-“); фу=Л + В* е~ку~. (12) (13') (12') (13') Кроме того. ток, протекающий через специальное заземление. будет равен (а) Используя г раничные условия, определим постоянные Д, Blt А* 11 В.. При х—0 и у=( ) фл-»о = (б) при x~~li /л»о 4- Jy=o + Л == /; '₽м. = 0; (в) (г) прн )’=13 /ру_/, = о. W Отсюда В\ = As Ва; (е) J (А - в, + а - в,) + -‘A5i = 1- (ж) S5
= (з) _l(A,e“— B,e-«-)=O. (к) После упрощения уравнения (е) — (и) примут вид: dH-Bi —Лг —Bs = O; (к) Л] (т — R3) 4- Bi (jn-\-Rs) — А2 Ra~b^2 Ra -: Im Rai (л) AeM> — Bte-kl‘ == 0; (m) Ae*'* —Bs £"*'• = 0. (n) I Подставив Bi из уравнения (м) и В2 из уравнения (и) в уравнения (к) и (л), получим Л, (1+е“Ч — А. (1 +«»«») = 0, (о) Ai \(т - R3)+e«*'> (m+R3)l — Л R3 (1- е2Ы«) = Im R3. (п) Решение этой системы уравнений дает Im е~к1>______1т ____________ е~к1> ~2 " I т sh kill 4- R)1 , . ' ~ 2 Г m , ' [й + аПЙ^П^]с1’Ы1 ^ + thM1+thMs chM, Воспользовавшись уравнением (м), получим Im В. = -2 еы. sh k(lt + /,) ch&jch kl2 chkli Im 2 eWi Г^Г—-----------i----• (,5> ъ—F th klt 4- th klt1 ch klt Рис. 52 Диаграмма изменения потенциала рельсов (о) к тока в них (б) по длине уча- стка при одной сосредоточенной нагрузке Подставив эти значения в Далее из уравнений (о), (п) и (и) можно найти А2 и Вз. Но можно и просто написать их по аналогии с фор- мулами (14) и (15), поменяв местами величины /j и Is- Значения коэффициентов А(, Вп Д2 к В2 уравнений (12')—(13е) для самых различных случаев даны в табл. 1. При помощи этой таблицы можно из уравнений (12')—(13е) для любой схемы и для любой точки най- ти значения потенциала tpx и тока в рельсах /рх. Рассмотрим расположе- ние одной нагрузки на участке бес- конечно большой длины (случай 11 табл. 1) (рис. 52). Постоянные равны А = 4, = 0 и В,«В,= ^2. уравнения (12) и (13). получим ml 2 I гг.=4с_,“ • О?) 56
Таблица ч s fte. Bi = Bl 3 ш/ + b|« 1 <Q 11 СЭ Im 2 2 £+ 4" x » Sh “ + + 'll ° 1 ° ч S|c? g 1” Im e*fl | -j-th A/j 4- 1 j ch A/j 1 In ,«• 2 J ch kli Im 2 2 ‘ m ,2 Д7+2 Д?, - 1 4 цЧЗ[|"Ч,; + ^] _ X. 5 et? <N 5 2 th A/1 ] Ch ktl ° ° й X - 8 ° 8 ° £ -r - - - 8 8 hi sis & a? c? <£ tS a? don ou ы e; M- *o <o ЗВ. К. Г. Марквардт

Сумма токов в земле и рельсах в каждом сечении вертикальной плоскостью должна быть равна , следовательно. 2 Отсюда, воспользовавшись уравнением (17), найдем выражение для определения тока в земле /«=4(1-«-Н (>8) Уравнения (16), (17) и (18) являются основными для расчета потенциалов рельсов и токов в рельсах и земле. Необходимо учитывать, что токи в рельсах, так же как и в земле, по разные стороны от нагрузки будут иметь разные на- Рис. 53. Диаграмма изменения потенциала рельсов (а) и тока п них (б) по длине участка с одной подстанцией и одной сосре- доточенной нагрузкой: / — от нагрузки I; 2—от тока подстанции /о; 3—результирующие кривые правления. Если за положительное направление тока принять направление его влево от нагрузки (см. рис. 52), то токи в земле и рельсах вправо от нагрузки будут иметь отрицательные значения. Диаграммы потенциала и тока в рельсах показаны на рис. 52, а и б. Если нагрузка / будет иметь направление, проти- воположное указанному на рис. 50 (например, если это будет ток подстанции), то в формулы (16)—(18) / надо подставлять с отрицательным знаком. Применив метод наложения, легко построить диаграммы потенциала и то- ка для любой схемы нагрузок. По приведенным формулам строятся диаграммы для отдельных нагрузок (с учетом направления токов и знаков потенциала), а потом получается результирующая диаграмма алгебраическим суммирова- нием ординат отдельных диаграмм. Например, для схемы с одной нагрузкой к одной подстанцией (см. рис. 46) построение диаграммы потенциала и тока в рельсах дано на рис. 53, а н б. При построении составляющих диаграмм за начало координат принимается место приложения соответствующей нагрузки (О и Oj). Для нагрузки в точке Ot диаграммы потенциала и тока в рельсах имеют вид кривых рис. 52. Аналогично строятся диаграммы для нагрузки в точке О, конечно, с учетом знака нагрузки. ЗВ* 59
Пользуясь формулами (16) и (17), легко составить расчетные уравнения для р. ссматро»;' мой схемы (см. рис. 46). Потенциал в ток в рельсах слева от нагрузка I (см рве S3) могут быть определены следующими выражениями. Ф, = ^-е-‘' (Р) рх — 2 Обозначая абсциссы точек от начала О через / — х, напишем выражения потенциала и тока в той же точке рельсов, но справа от нагрузки /о- = (т) (У) Заменив в формулах (т) и (у) /о = — /, сложим соответственно правые части выражений (р) и (т), (с) и (у). Тогда получим суммарные значения по- тенциалов и токов в рельсах: 4>, = ^(e-to—е-‘«-*1) (19) (20) После несложных преобразований эти выражения получат иной вид: фЛ=т/с-5Ь*^- х); (19') /„= /3' сЬЛ^-х). (20’) Диаграммы, построенные на рис. 53, соответствуют этим выражениям. Используя формулу (19), можно найти эквивалентное сопротивление рель- сового пути ffp с учетом утечки тока в землю: р _ Фо--<Р1 Ар------J , где ф0 и ф, — потенциалы соответственно в точках О, {и О, значения кото- рых следует взять по формуле (19). Тогда получим «₽= у 1(1 -е-«)-(е-м-1)1. ИЛИ Sp=m(l—е-*'). (21) что тот™.? ® "оказан 'И рис. 54. Необходимо помнить, oSmoboto “фавщиниы вi тех случаях, когда протяженность Поя пагоузке бЫТЬ ”₽ин"та."с с’ стороны от нагрузки бесконечной. тимеш/Уоы^,то 7®лен№я от подстанции, эквивалентное солро- тнвление рельсового пути будет равно 60 (22)
Ij Рис. Б5. Диаграммы изменения потенциалов рельсов (пунктир) тока в них (сплошные линии) по длине участка с одной сосредоточенной нагрузкой- 1 — 6 — еоотьетстпсшго для первых шеста случив табл. 1
Практически при расстояниях, от нагрузки до подстанции 12 20 км Rp незначительно отличается от 7?Р. Диагоаммы распределения потенциалов и токов в рельсах для первых шести в табл. 1, даны иа рис. 55. Диаграммы для остальных шести случаев (с 7 по 13) будут иметь такой же вид, но так как ток /э будет равен нулю, то абсолютные значения _______р г—,, £—], величии токов и потенциалов в рель- 1 ГТТ i-ii и I Пн I Н Illi Н сах Г,УДУТ 1,ыше- 1! I ! i.I t т * И 1JJ * * * * Т-1-Т—Т-I—г Участки с равномерно распреде- Рнс 56. Схема с равномерно распределен- ной нагрузкой и несколькими подстанци- ями па участке- I—тяговые подстояц»»: г—рельсы; i—нагрузка, синыасмзи с сдимицы длины участка ленной нагрузкой. При расчетах рель- совых цепей, когда определяются средние по времени величины, зави- сящие от тока в первой степени, сосре- доточенные нагрузки часто заменяют равномерно распределенной. Тогда схема рис. 48, а заменяется схемой рис. 56. В общем случае равномерно распределенная нагрузка будет располагаться только иа части участка. Как н выше, и при данной схеме могут быть найдены нагрузки подстанций. В ре- зультате эта схема заменится схемой с рядом сосредоточенных нагрузок (токи, отходящие к подстанциям) и равномерно распределенной. Для того, чтобы в дальнейшем можно было использовать метод наложения, разберем (подобно тому, как это делалось для рис. 50) законы распределения токов и потенциалов в рельсах на участке, где есть то р ко равномерно распределенная нагрузка. HI Ш Рис 57. Расчетная схема с равномерно распределенной на- грузкой н участками конечной длины В общем случае расчетная схема (рис. 57) будет состоять из трех участков I, II м III. Для упрощения рассмотрим здесь случай без сосредоточенного заземления рельсов (схема с учетом такого заземления рассмотрена в [14]). Законы распределения потенциалов и токов на II и III участках, очевидно, будут сходны с выведенными выше формулами для сосредоточенной нагрузки’ Для удобства выразим их постоянные через граничные значения токов и /ва, т е. через токи в точках О и О' (см ряс. 57). Воспользуемся пунктом 16 табл. 1 Постоянные уравнений (12) и (13) для этого случая (снабдим их индек- сом «2» для II участка и заменим I на /р2, a h иа 1г)‘ . /оз /И ft>, 2shW/ О __ 1щ1П ь. Потенциал фр» (при хг=0) будет равен = А + В. = (е-«. +е«.)=Л Ч = /м т cth ы< (23) 62
По аналогии для III участка <PoB=43/«cth^Z3 (24) Для среднего (/) участка дифференциальные уравнения получат не- сколько иной вид. Уравнение (9) сохранится и для данного случая <%i=—/рг1 rpdx. (25) Уравнение же (10) заменится следующим (в скобках — разность между током утечки в землю и током, притекающим в рельсы от нагрузки на том же участке): d/„l (26) Продифференцировав уравнение (25) и подставив в него из уравнения (26), получим ^ф*1 ГТ> (<У7\ fan' = фл! --1ГР (* J или, обозначив, как и выше, k = » напишем (27<) Общее решение уравнения (27') имеет вид <f„ =A<J“+B,e-‘'+C. (28) Подстлвив отсюда <p.i в уравнение (27), получим _сЛ+,-Гр=о, откуда и, следовательно, уравнение (28) получит вид Фх1=А ^+ВХ e-^+ira. (29) Подставив фх1 в уравнение (25), получим /„1=_1(А<^-В,в-‘^. (30) Для определения постоянных А и А можно граничные условия (см. рис. 57): при ^=0 кспатьзоватв следующие • Фо1 = ФО2> ы — All" («1) при Xi~lt фл — Фоз» (».) Л|=4з- (nJ Воспользовавшись уравнениями (29), (30), (23) и (24), получим: Д14-В14-»гп=/ог«с*Ь А/»; (Ill) А(А (e.) Ai с*1' +Bt e-k,’+irn= I^mcth kls‘, (*) -1(Л^'.-В1е-«-)=/08. (30 63
Из (Д1) можно получить А + В1 + (И) zncthW3 Из (ж,) получим Л1е»-+В1е~и'+‘^ (к) --------meth И, Подставим (и,) в (ej: Из (kJ в (зх): А<Ц»—Bxe~*f> _ Alek^+Bte-k^+irn . т zn cth fe/s ' * 1 Решив совместно систему уравнений (л,) и (мх), найдем: . .____________(cthA4-I)e-“‘ + (cthfe/,+ l)________________ Л1 ~ "(cth Ы3— 1) (cth kla -1) е-*'. — (cth kl2 4- 1) (cth M3-| 1) e*'. v 4 - ,r _____________(cthfe4+l)^+(cthA4-l)_______________ 1 "1Гп (cth M* — 1) (cth k/a — 1) (cth kia + 1) (cth kla + 1) 1 В частном случае, когда равномерно распределенная нагрузка распо- ложена на всей длине участка, т. е. /в=/8=0, получим {разделив предва- рительно для раскрытия неопределенности числители и знаменатели выра- жений (31) и (32) на cth fe/2-cth kl3]-. Ai-B^O. Следовательно, согласно уравнению (30) /pti=0, т. е. тока в рельсах нет, вся равномерно распре- деленная нагрузка обращается в ток утечки. Ура лемие (29) дает фх1=*Гп» (33) т. е. потенциал рельса везде постоянен и равен падению напряжения в пере- ходном сопротивлении. Напомним, что мы рассматриваем схему участка без подстанций (аналогичную рис. 50). В другом распространенном частном случае, когда Z2=/s----oo, получим (34) = (35) Тогда согласно формуле (29) фп = е-‘ «.-»> - или, преобразовав, —е !ch*(4 —х)]. (36) а из формулы (30) = —ге рч
В середине этого участка при X (ЗОЭ (37Э В случае если 4—оо, т. е. когда влияние II и III участков отпа- дает, после раскрытия неопределенности в уравнении (36) получим Рис. 58. Схема с одной сосредоточенной на- грузкой на участке с разветвлением фх1=«Гч» (36') т. е. то же, что и выше 1см. формулу (33)1. Разветвленные участки постоянного тока. Если путь, на котором находится нагрузка, разветвляется (рис. 58), то задачу легко упростить, заменив два от- ходящих конца 4 и 4 (не имеющих нагрузки) одним эквивалентным отрезком 10. Будем исходить из предположе- ния, что сопротивление рельсов и переходное сопротивление на уча- стках /2 и /а одинаково. Воспользовавшись уравнени- ями (28) и (24), напишем 4>о=-- 4>зт klz, (p0=/03mcthA/3 и фо=(^ оз"Ь4з) cth kl0. Из этих уравнений легко получить cth kl0 — cth feZscth fe/s cth ft/a+cth kls ’ (38) отсюда и может быть найдена длина /© эквивалентного участка. Методом наложения задача может быть решена и при наличии нагрузок на всех ветвях. Сопротивление изоляции балласта (переходное сопротиаленне). Переход- ное сопротивление, входящее в приведенные формулы, зависит от ряда факто- ров- от материала и степени загрязнения балласта, пропртки шпал антисеп- тиками, от влажности ит. д. Наибольшее сопротивление дает щебеночный бал- ласт, меньше — гравий и ракушечник, затем — песчаный и ниже всего — песчаный с примесью глины. Загрязнение происходит за счет наносного грун- та, металлической пыли, получающейся от истирания тормозных колодок и бандажей при торможении, и т. п. Наибольшее сопротивление дает пропитка шпал изоляционными антисептиками. Нормой минимального сопротивления балласта для рельсовых цепей при автоблокировке в Советском Союзе принята величина 1 ом на 1 км. В действи- тельности значение сопротивления балласта в ряде случаев оказывается зна- чительно меньшим. В литературе, посвященной расчетам рельсовых цепей Ill], принимают, что минимальное сопротивление изоляции одного рельса от другого при старых (но не гнилых) шпалах, пропитанных креозотом, и слабо загрязненной поверхности будет (приблизительно) иметь величину: Для щебеночного балласта............................2,0 0Л1-км » гравийного » ..................... t,5 » » песчаного » .........................1,0 » » песчаного балласта с примесью глины.............0,6 »
Пои сухом балласте эти значения могут увеличиваться н 2,5—5 раз, а поп промерзшей балласте в 10-100 раз. в зависимости от степени промерза- "ия Задоз’яке поверхности балласта и применение шпал, пропитанных ме- таллтЗми солями, понижает переходное сопротивление в отдельных слу- чяях яо 0.2 и даже до 0,15 оя-кл«. Все эти данные относятся к изоляции одного рельса от другого (что важно при сооружении рельсовых цепей автоблокировки). Прн определении же утечки тока картина несколько меняется. Если в рассмотренном случае переходные сопротивления от первого рельса к балласту и от балласта ко второму рельсу как бы соединены последовательно, то при утечке тягового тока онн будут сое- динены параллельно. В связи с этим можно ожидать, что переходные сопротив- ления от обоих рельсов к балласту будут ниже приведенных в 2 4 раза. § 7. СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Провода контактной сети. Для электрических железных дорог в СССР, в основном, применяют контактные провода марки МФ (медный фасонный) с площадью поперечного сечения 150,100 и 85 дсна, первые и вторые на главных путях, а последние обычно на станционных. На дорогах постоянного тока в большинстве случаев по условиям токосннмания подвешиваются два контакт- ных провода. Иногда вместо двух контактных проводов МФ-100 удается обой- тись одним с сечением 150 мм2. Кроме того, для увеличения плоскости кон- такта между пронодом и токоприемником, а также для уменьшения давле- ния ветра на провод выпускаются провода МФО — овальной формы (с умень- шенным размером по вертикали и увеличенным по горизонтали). В контактных подвесках применяют также бронзовые контактные провода марки БрФ (в частности, меднокадмиевые) повышенной прочности, но меньшей проводи- мости, сталеалюминиевые и сталемедные. На главных путях линий постоянного тока получили наибольшее при- менение медные несущие тросы марок М-120 и М-95. На станционных путях постоянного тока применяют биметаллические сталемедные тросы марок ПБСМ-1 и ПБОИ-2 с сечениями 70 и 95мм2. С целью экономии меди и на пе- регонах для несущих тросов применяют биметаллические сталемедные и ста- леалюмииневые тросы и провода контактной подвески. В тех случаях, когда необходимая проводимость, установленная электри- ческим расчетом, превышает проводимость проводов, включенных в цепную подвеску, прибегают к подвеске усиливающих проводов. Материалом для уси- ливающих проводов, как правило, на дорогах СССР служит алюминий. В прак- тике электрифицированных железных дорог СССР в качестве усиливающих проводов наибольшее применение нашли алюминиевые провода марок А-150 н А-185. В последнее время применяют только А-185. При применении двой- ных цепных подвесок в качестве вспомогательных тросов могут быть примене- ны медные, сталемедные и изношенные контактные провода. На маневровых путях в тех случаях, когда опасность коррозии уменьшена, например, на путях, где не используются паровозы и линия лежит далеко от моря (района усиленной коррозии), применяют в качестве несущих тросов стальные тросы марки С обычно сечением 70 мм9. Для питания нетяговых по- требителей на опорах контактной сети (см. §5) подвешивают комбинированные сталеалюминиевые провода марки АС, как правило, сечением 36 мм2. „пл Необхи*имые лпя расчетов электрические характеристики применяемых проводов приведены в табл. 2 [121. реш“"11 ряда зг;ич приходится оперировать удельными сопротав- "..“ЯД|,ЫХ " илюмяииевых проводов, а также соотношением этих сопро- ВВД"° Та6л' 2’ Удель,юе онротивлеппе медных и алюминиевых ? ^выше а“алог“™их данных для чисто гальванической МОДИ пмХох тоот™’'?“™ется<:п<1<:обомизготовления проводов п удлинением проволок тросов за счет скрутки; исходя яз цифр, приведенных и табл. 2, 66
можно принять удельное сопротивление для меди р», и алюминия ря и их соотношение равными: рм= 18,2 ом-мм-/км, Ра=31,0 om-mj&ikm, ра/р„=1,7. Определение сопротивлений контактных (и других) проводов производится по известной формуле S (39) где гк— сопротивление провода в ом/км, р —удельное сопротивление в ом-мм-/км, S — площадь поперечного сечения в мле®. Если в контактной сети параллельно медным присоединены алюминиевые (усиливающие) провода, то Рм S'4- S’ ЬЁ70 Bl (39') где р». — удельное сопротивление медных проводов в ом-мм~1км\ SM — суммарная площадь поперечного сечения параллельно соединенных медных проводов контактной сети в мм®; Sa—то же алюминиевых проводов; S„—суммарное сечение всех проводов в медном эквиваленте. Приведенные в табл. 2 удельные сопротивления проводов даны для /с=20°С. При другой температуре удельное сопрот<вление определяется по известно)"! формуле г i Р,=МЦ-“₽—2°М где р, —удельное сопротивление прй температуре /°C; pso —то же при 4-20°С; а — температурный коэффициент (для меди ам=0,004 и для алюминия аа=0,0040—0,0043). Рельсовый путь. Сопротивление рельсовой цепи состоит из сопротивления самих рельсов и рельсовых стыков. Сопротивление рельсовых стыков яаляется переменной величиной, изменяю- гнойлг. п iTKinnizIlV ПП0ЛРПЯХ R Таблица 2 зависимости от ряда факторов, Марка Площадь по- Электрическое сопротивление Вес I км основными из которых являются, степень затяжки стыка, состоя- ние рабочих поверхностей сты- провода перечного се- чения и мм* 1 км провода при 20’С в ом/км провода МФ-85* 65 0,211 755 ковых накладок и сопрнкасаю- щихся с ними поверхностей МФ-100 100 0,177 890 рельса, состояние погоды, влаж- ность. Переходноесопротивление МФ-150 БрФ-85 БрФ-ЮО М95 150 85 100 0,118 0,229 0,205 1335 755 890 стыка принято измерять вели- 92,5 0,200 837 чиной отношения сопротивления М-120 117 0,158 1058 одного метра рельса со стыком ПБСМ1-70 ПБСМ1-95 72.2 93,3 0,731 0,563 606 783 к сопротивлению одного метра ПБСМ2-70 72,2 0,921 597 целого рельса. ПБСМ2-95 93,3 0,704 770 Сопротивление стыка при С-70 72,2 — 620 благоприятных условиях (хоро- А-120 А-150 117 148 0,27 0,21 0.17 322 шая затяжка стыка, влажная А-185 183 503 погода) может незначительно АС-35 36,9/6,2** 0,85 150 отличаться от сопротивления АС-95 94,4/15.9 0.33 386 целого рельса. Наоборот, при неблагоприятных условиях (су- хая погода, слабая затяжка АС-120 115,0/22,0 0.27 492 • Дли проводе» мирки МФО принимаются те же эка стыковых болтов) те же стыки могут давать значительно боль- сечение стали.
шее переходное сопротивление, доходящее в отдельных случаях до величины сопротиаления 40 я целого рельса. Прн новых стыковых наклад- ках непосредственно после нх установки переходное сопротивление обычно повышено вследствие имеющегося на накладках и рельсах слоя ржавчины. По прошествии нескольких дней, после приработки накладок и рельса и уда- ления слоя ржавчины, переходное сопротивление таких стыков уменьшается. Большое переходное сопротивление стыков значительно повышает общее со- протмаление рельсовой цепи. Увеличение падения напряжения в рельсах ведет к повышению потенциала рельса по отношению к земле, что создает благо- приятные условия для ответвления токов в землю. Поэтому для уменьшения сопротиаления в местах расположения рельсовых стыков устанавливаются дополнительные электропроводящие соединения, так называемые стыковые соединения. Последние выполняются обычно из отрезка гибкого медного провода сечением не менее 70 дем2, привариваемого к головкам рельсов с по- верхностью контакта в месте приварки не менее 250 жж8. Допускаются и другие способы уменьшения сопротиаления стыков, на- пример, путем закладывания между рельсами и стыковыми накладками графи* Рис. 59. Соединение рельсовых нитей на двухпутном участке с автоблокировкой: я)'н б—соотпетстоянио при лаухимточных и одиовиточиых рельсовых целях автоблокировки: /—изолированный стык; 2—стыковое соединение; 3—дросселп-траксфор.чатор; 4~соединения тяговых рельсов; .6—рельсы автоблокировки; 6—тяговые рельсы товой смазки и поддержания такого стыка в хорошем состоянии. При всех условиях сопротивление каждого неизолированного стыка на линиях постоян- ного тока в эксплуатации не должяо преш-иаь сопротивления целого рельса длиной 3 м. Если пет автоблокировки, обе нити рельсов для обеспечения лучшей про- водимости рельсовой цепи, как правило, соединяются между собой через каж- дые 300 м междурельсовыми соединениями. На двухпутных и трехпутных участ- ках устанавливаются еще (через каждые 600 м) междупутные соединения, соеди- няющие между собой рельсовые нити расположенных рядом путей. Междурель- совые и междупутные соединения выполняются медным проводом сечением не менее 70 льн2 или круглой сталью такой же проводимости. Концы этих соеди- нений привариваются к шейкам рельсов. Площадь контакта в месте приварки должна быть не менее 250 лш2. При автоблокировке вся линия, как известно, разбивается на ряд блок- участков. Когда участок электрифицирован иа постоянном токе, автобло- кировка работает на переменном токе, междурельсовые соединения устанав- ливают в местах расположения изолированных стыков и выполняют при по- мощи путевых дроссель-трансформаторов. Путевые дроссели представляют значительное сопротивление для переменного тока автоблокировки н незна- чительное для тягового постоянного тока. С каждой стороны изолированного стыка устанавливается по одной дроссельной катушке (рис. 59, а) и их сиед- ™Т°ЧКИ соединяются между собой. Междупутные соединения устраиваются пК с°^динения между собой средних точек дроссельных катушек соседних итлии5т^.НП',ЯХ’ обсрудоваииых электрической централизацией, при двух- стыкица"“ пропуска тяговых токов в о&од изолировав- точиыТХи™п?станавлнваются дроссельные соединения. При одоонн- umL iraSrnJ1 тяг°вых ТОКО|> огводнтсн только одна рельсовая пи к. toS“егПг,ктР|,*“[1ированном пути, в ряде случаев используя пооче- редно то одну. то другую нить рельсового пути Па изолированных стыках тя-
говые нити соседних изолированных участков соединяются друг с другом (рис. 59, б). Междупутные соединения устанавливаются в этом случае через каждые 400 лив горловинах станций. Присоединение тяговых подстанций к рельсовой цепи производится при помощи отсасывающих линий. На участках, не имеющих автоблокировки и электрической централизации, а также на станциях, оборудованных электри- ческой централизацией с однониточнымя рельсовыми цепями, отсасывающие линии присоединяются к ближайшему тяговому рельсу и при этом устанав- ливаются поперечные соединения между всеми рельсовыми нитями, вклю- ченными в рельсовую (тяговую) цепь. На участках, оборудованных автобло- кировкой с двухниточными рельсовыми цепями, отсасывающие линии присое- диняются к средней точке ближайшего путевого дросселя. На двухпутных и многопутных участках, оборудованных автоблокировкой с двухниточными рель- совыми цепями, средние точки дроссельных стыков в месте присоединения от- сасывающих линий соединяются между собой междупутными соединениями (провод 4, рис. 59, с). Отсасывающие линии выполняются как кабельными, так и воздушными с кабельной вставкой для присоединения к рельсам. В последнее время этот способ нашел широкое распространение. Сопротивление рельсов может быть определено по формуле (39), если из- вестно удельное сопротивление рельсовой стали. Сопротивление рельсов оп- ределяется чаще всего в зависимости от веса их на 1 пог. м, а не от площади по- перечного сечения. Вес этот можно определить по формуле c=ierW3H',‘' м где 7,83 — удельный вес рельсовой стали в г!сма\ Sp — площадь поперечного сечения в леи2. Приняв удельное сопротивление рельсовой стали равным 210 ом-ммЧкм и подставив в формулу (39) значение Sp из выражения (а), получим сопротив- ление 1 км одиночного рельса (без учета сопротивления стыков): 7,83-210 1,64 . 1000G = G ы/км- Если в месте стыка рельсы свариваются, то изменением сопротивления можно пренебречь. Если же в стыках рельсы соединяются специальными при- варенными соединениями, то сопротивление стыков определяется сопротив- лением соединяющего их проводника. Сопротивление одиночного рельса с учетом сопротивления стеков увеличивается в отношении где 1ЯВ—длина одного звена рельсов в л; /„—эквивалентная длина стыкового соединения, т. е. длина целого рельса, имеющего такое же сопротивление, в м. При нескольких нитях рельсов /Vr„ электрически соединенных парал- лельно, формула сопротивления рельсовой цепи примет вид Сопротивление вых нитей) одного пути (из двух параллельно соединенных рельсо- 0,82 G 69
Приняв увеличение сопротивления рельсо счет стыков иа 20% [108] при длине рельса /3 в =12,5 м, получим 082. Щ5 = ода W (40) гг- О 12,5 G G ' Соответственно для двухпутного участка OMlKM. (40') Сопротивление рельсового пути при различных типах рельсов, применяю- щихся на дорогах СССР, дано в табл. 3. Т я б л и it й .4 ТИП рельса Вес рельса Площадь поперечно- го сечения Периметр Радиус ок- ружности. Сопротивление постоянному току при 20” С в ом/к* рапной пери- метру сечения. одного целого рельса с учетом стыков одного пути двух путей Р65 61,9 82.9 70 И,1 0,0254 0,0155 0,0077 Р50 51,5 65,8 62 9,9 0,0318 0,0195 0,0097 Р43 44,7 57,0 56 8,9 0,0367 0,0224 0,0112 Если применены рельсовые звенья длиной 25 я, значения сопротивлений могут быть получены по данным табл. 3 путем умножения их на коэффи- циент 0,92. Контактный рельс. Контактным рельсом называется жесткий проводник большого сечения, часто имеющий по форме сходство с сечением ходовых рель- сов, устанавливаемый при помощи специальных изоляторов на уровне, близ- ком к уровню ходовых рельсов. В настоящее время система с контактным (третьим) рельсом применяется на электрифицированных участках постоянного тока напряжением до 1500 в (главным образом на метрополитенах). В большин- стве случаев применяемый для этой цели рельс имеет вес от 20 до 75 кг/м с проводимостью, колеблющейся от’/о до1/ю проводимости меди, что при средней проводимости x/s дает площадь поперечного сечения в медном эквиваленте 300—1100 мм*. На первой очереди линий Московского метрополитена длина каждого звена контактного рельса равна 12,5 м, поперечное сечение 5800 мм* и вес 45,4 кг/м. На последующих очередях поперечное сечение рельса 6600 лшг и вес 51,7кг/л£. Удельные сопротивления этих рельсов соответственно 0.12 и 0,122—0,134 ом ммв/м. Фидеры. Присоединение тяговой сети к шинам тяговой подстанции осу- ществляется при помощи воздушных линий и редко кабельных. Кабельные линии обычно применяются там, где устройство воздушных линий по каким- либо причинам невозможно Прежде всего это относится к метрополитенам, а также к тем случаям, когдатяговая подстанция расположена на большой раз- ветвленной железнодорожной станции, где установка опор затруднена из-за недостаточных величин междупутий или этому мешают какие-либо сооружения. Для воздушных линий применяют обычно алюминиевые провода. § 8. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА И ТОКА В РЕЛЬСАХ НА УЧАСТКАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Все изложенное выше в § 6 о протекании тока по рельсам на дорогах по- стоянного тока в большой мере относится и к линиям переменного тока. Здесь РассматР,,ваться схемы с сосредоточенными нагрузками и схемы с равномерно распределенной нагрузкой. Но есть и специфическое отличие в явлении протекания тока по рельсам на линиях переменного тока Объясняет-
сн оно наличием электромагнитной связи менаду отдельными контурами составляющими тяговую сеть. Рассмотрим самую простую схему питания (рис. 60). Ток в контактной подвеске /е равен сумме всех токов в рельсах и земле, условно нами обозна- ченных через 4» 4> 4» 4.-.-Таким образом, тяговая сеть как бы представляет со- бой ряд наложенных друг на друга контуров: контур тока 4> контур тока L и т. д. При этом одна часть цепи для всех контуров является общей и составляет- ся из подстанции, контактной сети и электровоза. Вторая часть цепи для каждого контура своя. Она состоит из некоторой длины рельса (например, для нити тока /2 — длина а), переходного сопротивления рельс — грунт и со- противления соответствующей части земли. Известно, что любые линии переменного тока обладают как активным, так и индуктивным сопротиалением Индуктивное сопротивление определяется ве- личиной потока, пронизывающего толщу провода (внутреннее индуктивное со- противление), и потока, про- низывающего рассматривае- мый контур (внешнее индук- тивное сопротивление). По- следнее зависит от размеров контура. Чем больше рас- стояние между токами «пря- мым» (в контактной подвеске) и «обратным» (в нашем случае в земле), тем больше индук- тивность этого контура- Qie- довательно, состааляющая то- ка г, определяет меньшую ин- дуктивность, чем 4 и т. д. (см. рис. 60). Раз эти контуры имеют различную индуктивность, то я токи 4, i.,, i3, ... будут сдвинуты по фазе друг относительно друга. По той же причине плот- ность тока в земле падает с удалением от поверхности земли и тем скорее, чем выше его частота. Например, ток линии при частоте 50 гц, проходя по земле, распространяется в ней в стороны и в глубину на несколько километров, а токи звуковой частоты — только на несколько сот метров. Таким образом, при увеличении частоты глубина протекания токов умень- шается, следовательно, с увеличением частоты растет сопротивление земли. При протекании по земле постоянного тока он охватывает большую глубину и ширину земли (в несколько километров), поэтому сопротивление земли здесь не играет существенной роли (выше в расчетах мы им пренебрегали). При про- текании же переменного тока сопротивление земли, как отмечалось, увеличи- вается. Зависимость сопротивления земли (как «обратного» провода) от часто- ты показана в табл. 4 [13]. Таблица 4 Рпс. 60. Схема протекания токов на линии с одно- фазной нагрузкой. 1—тяговая подстанция: 2—контактная подвеска; 3—яагруз- ка (электровоз). 4— рельсы; J-seiuin 1 IcnuiaaTc-ib “ Частота в гц 25 50 150 500 5000 Сопротивление земли к ом-км 0,025 0,05 0,15 0.5 5,0 При увеличении удельного сопротивления земли растет падение напря- жения в ней и падает плотность тока и, следовательно, одновременно увели- чивается глубина н ширина области протекания токов. В свою очередь увели- чение этой зоны протекания токов приводит к увеличению индуктивности контура провод — земля. Если линия контактной сети переменного тока идет по кривой или даже делает петлю, обратный ток в земле следует по той же кривой, т. е. не идет 71
по наиболее короткому пути Это обменится тем, что ток в земле вследствие магентаого юг мод, йстввя подтягивается к проводу и держится вблизи вето на расе!Минях, как это было отмечено, заивсящих от сто частоты. Эго положе- "неособенно интересно при расчетах всякого рода сложных умов. Оно указы- вает па то. что схему распределения токов в земле можно считать анало; гичиой схеме соединения проводов различных линий, сходящихся в данной —^-.ТягоВая'сотаВпяюшая тою 0 земле —- Т^гоВая’^дстаолюащая така - ~.Вшр$ал'состаВлташоя тека Рис 61 Схема токораспределення на участке однофазного тока Присутствие рельсов на поверхности земли дополнительно усложняет кар- тину Рельсы на всем протяжении соединены через переходное сопротивление с верхним слоем земли, где ток имеет наибольшую плотность. Наличие рельсов как бы изменяет сопротивление верхнего слоя земли, а отсюда и сопротивление всех контуров, в которых наводится э. д. с. Ток, протекающий в этих ус- ловиях по рельсам, зависит от переходного сопротивления рельсы — грунт и от сопротивления самих рельсов. Последнее же в свою очередь зависит от тока в рельсах (как во всяком массивном стальном проводнике). Так как ток в рельсах падает по мере приближения к середине уча- стка (см. рис. 60), то и сопротивление рель- сов по его длине изменяется. Все эти даже сжато изложенные сообра- жения показывают, скаль сложна картина распределения токов между рельсами и зем- лей. Если же учесть, что в действительности имеется не одна нагрузка, а несколько и пи- таются они от ряда подстанций, да к тому же нагрузки непрерывно перемещаются и чис- ло их изменяется, то легко объяснить, почему для решения поставленной задачи приходится прибегать к различным упрощениям Прежде всего, если мысленно все токи в земле заменить одням эквввалент- ным’током, то в схеме одностороннего питания одной нагрузки (рис. 61) можно рассматривать три отдельные составляющие тока, протекающие по трем контурам: 1) ток, протекающий по контуру контактная сеть — рельсы; 2) ток, протекающий‘по контуру контактная сеть — земля; 3) вихревой ток в контуре рельсы — земля. Условное направление этих токов показано на рис. 61. Таким образом, ток в рельсах получается как геометрическая сумма двух составляющих: ток кон- тура 1 (назовем его условно «тяговой» составляющей тока, которая является частью тока, потребляемого электровозом) и тока контура 3 — «вихревой» составляющей. При протекании тока по рельсам иа участках постоянного тока и расстоя- ниях между подстанцией и нагрузкой 12—20 км на средней части участка ток в рельсах близок к нулю. При переменном .токе тяговая составляющая тока в рельсах падает значительно быстрее, чем при постоянном Эго объясняется гем/что полное сопротивление рельсов много больше омического (особенно в зо- не больших токов, т. е. около подстанций и потребителей) и, кроме того, длины фвдорныхзон при переменном токе значительно больше. Другими словами, при Достаточно большом расстоянии от нагрузки до подстанции в рельсах будет ^аТЬТ0ЛЬК0 Е,^ре«°йток (рис. 62, а), И В таком случае можно считать, ^..орпьсах "роиоршюнален току в контактной поиске (т. с. контакт- едмг,™ ₽“ ЭТОМ *" ргсчетов МОГП быг>- хсчолыомиы коэффициенты ИГ " вмадениие для линий бесконечно боль- taoropon иллюстрацией к изложенному служит векторная диаграмма Р«С.ЬАО одесь ток контактного провода вызывает в контуре рельсы земля 9' д‘ С* взаиМ110и иадуиоди Ёр„.Эта э. д. с. в свою очередь вызывает в земле
Тяговая' составляющая тона о земле Вихревая' составляющая тона вихревой ток, уменьшая как бы индуктивность контура контактный провод — земля. г н Вихревой ток приводит к увеличению плотности тока в поверхностных слоях и уменьшению в удаленных от поверхности слоях земли. Суммарный же ток в земле, естественно, остается равным 10. Поскольку часть вихревого тока отводится в рельсы и для этого тока контур рельсы — земля будет обладать в большей степени индуктивным сопротивлением, то вектор тока в рельсах /р отклонится’от £ рз па боль- шой угол. Разность между токами — /0 и /р дает (рис. 62,6) эквивалентный ток в земле /3. Если бы мы рассматривали такую век- торную диаграмму для точки (см. рис. 60), где в рельсах сохраняется некоторая часть тягового тока (обозначим ее /у), то сум- ма токов /Р4-/3 должна была бы равнять- ся — (/0 —/т). Для упрощения учет распределения тяго- вого тока между рельсами и землей произво- дится, как и для постоянного тока, в предпо- ложении, что сопротивление земли равно ну- лю. При этом распределение тока будет опре- деляться величинами сопротивления рельсов и переходного сопротивления от рельсов к земле. Последнее включает в себя сопротивле- ние земли н принимается не зависящим от расположения нагрузок относительно под- станций. В действительности, при различном расположении нагрузок влияние сопротивле- ния земли на величину переходного сопротив- ления будет различно. Но так как это влия- ние невелико, то для практических расчетов допущение независимости переход- ного сопротивления от расположения нагрузок на участке вполне опраадано. Схема решения поставленной задачи аналогична рассмотренной в §6 для постоянного тока. Огличне в данном случае заключается в том, что ток, протекающий по контактному проводу, наводит э. д. с. в контуре рельсы — зем- ля. Если обозначить через М коэффициент взаимной индукции между этими двумя контурами, то, как известно, э. д. с. в контуре рельсы — земля предста- вится выражением £рз —— = ^кр70. Рис. 62. Расчетная схема при большом расстоянии от подстан- ции до нагрузки: о—схема протеииний токов; б—вектор- игл лип громив где (о = 2nf — угловая частота; /о —ток в контактном проводе. Если взять М в гн/км, то £рз будет в в/км. Здесь, как это делается обычно в расчетах, произведение j&M, имею- щее размерность сопротивления, обозначают через zxp л называют сопро- тивлением взаимоиндукции между контурами контактная сеть — земля и рельсы — земля. Обозначая (как и при постоянном токе) приращение тока на элементарном участке dx через d/pr, можно написать (рнс. 83) djpx = — ^ dx, (41) гдс <р( - потенциал рельса в точке с координатой х в в, 2и — переходное сопротивление в о.мк.м.
Обозначив через бТ.шправлен"вё ложктельчое направление оси х и тока в рельсах "<1: слева направо от начала О. можно написать dV,=-(/„^ + l^)dx- (42) Рис 63 Схема участка однофазного тока с одной подстанцией и одной нагрузкой: /—подстанция 2-—электровоз; 3—контактный провод, 4—рельсы. 5— переходное сопротивле- Спппптивлеине рельсов зависит от протекающего по ним тока, т. е. не яв- лнетсн постоянной величиной. Учет „ЖвТннТи поэтому обычно довольствуются приб- лиженным решением, принимая zp постоянным и равным среднему его значению по длине пути. Легко видеть, что уравнения (10) и (41) имеют сходный вид, урав- нения же (9) и (42) отличаются за счет нового члена Io zKp. В резуль- тате решения уравнений (41) и (42) получим выражения для потенциала и тока в рельсах <₽,- Ае**+Ве~*'; (43) =- Be-"-) — п/„. (44) где __ Л=|/^-; m = v^ и п-^. ое р гУ (Лл Рис. 64. Расчетная схема участка однофазного тока прп одной нагрузке и одной подстанции- I—подстанция; 2—рельсы Уравнения (43) и (44) являются общими. Из этих уравнений легко полу- чить выражения для потенциала и тока в рельсах для участков постоянного тока, положив гп = 6>, гр = гр и п = 0 (так как о> = 0). Постоянные А и В, как обычно, определяются в зависимости от конкретных условий задачи. Следует отметить, что они явля!отся комплексными величина- ми. При расположении на линии одной подстан- ции и одной нагрузки наиболее общей будет схема рис. 64. Здесь уча- стки 2-й и 3-й конеч- ной длины (/2 и /2) и точ- ка отсоса подстанции О для большей общности выводов присоединена к специальному зазем- лению 7?3 Если такого заземления нет, то в со- ответствующих форму- лах надо положить Ra = со. Постоянные для этого случая получаются довольно громоздкими, но при необходимости их можно найти в литера- туре [141. Мы здесь ограничимся наиболее распространенным случаем, когда z — — 00. При этом постоянные А и В могут быть получены из следующих условий (рис 64). Потенциалы на границах 1-го участи» (ф„, и <₽,,) равны соответственно, потенциалам на границах 2-го (<рю) и 3-го («р03) участков. фог^фог. (а) ф«1=ф|)3- (б)
На крайних (2-м и 3-м) участках тока в контактной сети, а следонателыю, и э. д. с. взаимоиндукции в рельсах нет. Поэтому для них справедливы уравнения (23) и (24), выведенные для постоянного тока, если в них ввести то же значение т, что и в выражении (44). Учтя, что !а = /8 = ео и, сле- довательно, cth kl2 = cthft/3 = 1, получим ф(>2 = /02 mi (В) •Роз — / оз tn . (г) Далее» сумма токов в каждом из узлов О и О' равна нулю (на рис. 64 показано направление токов в рельсах, принятое за положительное): 4и4-4»г4-^я4-4>=0; (д) — Л1•+/оз ' 4)=о> (е) где 101, /02—токи рельсов соответственно 1-то и 2-го участков в точке О; /д, hs —токи рельсов 1-го и 3-го участков в точке О'. Ток, текущий через заземление Rs подстанции, может быть выражен через потенциал отсоса 4 = ^. (ж) Подставив в уравнения (а) — (ж) выражения потенциалов и токов из уравнений (43) и (44) и решив их относительно А и В, получим - т 2Д34-те-н‘ . 2й+^~- И Подставив выражения (з) и (и) в уравнения (43) и (44), получим фор- мулы для определения потенциала и тока в рельсах — 4(1 («) Аналогичным образом могут быть выведены расчетные формулы для других исходных условий. Как уже отмечалось выше, вывод их можно найти в литера- туре. В табл. 5 приведены для справок лишь формулы в конечном виде. В практических расчетах часто рассматривают условную схему, в которой в середине каждой фидерной зоны расположена одна нагрузка и специального заземления 7?э пет. С точки зрения расчета вследствие симметрии такой схемы она может быть сведена к схеме рис. 64 при k — /а -= 0 (т. е. рассматриваемый участок как бы ограничен подстанцией н нагрузкой). В этом случае и 1рх можно находить по табл. 5, пункт 6 (при /2 = ls = 0 и Яз — °°). Если в вы- ражениях (з) и (и) принять п = 0, т. е. исключить влияния взаимной индук- ции, то мы получим новое значение постоянных А' и В', определяющих рас- пределение только тягового тока. Тогда, следовательно, А-(1 — п)А' п В=(1—п)В‘. 75
Таблица 5 s Conporim- лсине за- земления Длпил участка *Х 7pr 2-го 3 го I 2 /?з Яз со 0 0 — 2Х Гзд,+ „ Xl 2«3T-m _е-'- /0(1 -л)т — 2fA.d>hn, ; + [W'--I) kde-“] Ip (1 • 1 ~ 2 Г 2R, + /ne~* X! 2/?s -rm + е-«г,-л) /o(l-n) J-X —nl0 2|/?3shWI -pznchft/j] '' x |[/?з (e”**1 — 1) — «»] — -Ha(e".-l) + ml«-*'|- — Л/р 3 со 0 Zc(l—n)w x Jo(l -- n) eW| + ch ftfi X [e*x4- ^shkx — —ch ft (h—л) j 1 _ X: c S -s 1 | El«“ « «!« + 1 ;a f l LL 5 6 7 76 0 0 ° /о (J — n)m x chftfgshft X » ch k-I-/gj _«1 { , X Z0(l—n)»nes shft^x— g) Л*(хЦ) /с(1-л)т ijjj—±L ch~ A> (1 — n) 2 [(e-*1’ — 2) —/р(1~~л) X chftigchftt x —4] X v-7-*/. 1,) _*£s — I0(l— n)e 2 x X chfe(x — — n/p ,.<„) 1 2/ ch g -n/p
Подставив эти значения в уравнения (43) и (44) и выделяя члены, содер- жащие п, получим ekx[-B' е-^—п (Л' eftx4-B'e“fet) = q£ 4- <pZ - (43') Здесь ф* и фх — потенциалы в рельсах, вызванные соответственно тяговым и наведенным токами: Ф*=Л' е**+В е~кх (43'а) и <£=— п (А'е** 4- B'e~k*). (43 б) Аналогично для тока в рельсах получим /Рх=4х+ГРх. (44Э Здесь /гх и 1рх—токи в рельсах соответственно тяговый и наведенный: l'pt=—(44'а) / w = (Л' а1' - S' «-*' + Л> '") (44' 6) Выше было принято, что ток между рельсами и землей распределяется в за- висимости от величины переходного сопротивления. Надо обратить внимание, что это относится как к «тяговой» составляющей тока, так и к «вихревой» со- ставляющей. Поэтому в последних выражениях как та, так и другая составля- ющие изменяются с изменением х и зависят от коэффициентов k и т. Рис. 65 Расчетная схема участка однофазного тока при рав- номерно распределенной нагрузке: Участки с равномерно распределенной нагрузкой. Как н при постоянном токе, при проведении некоторых расчетов удобно сосредоточенные нагрузки на фидерных зонах заменять равномерно распределенной нагрузкой (рис. 65). В этом с/гучае уравнения (41) и(42) заменятся соответственно уравнениями (4г> и df?x^ — гР 4- feup (li — *)] dx. (42') Решение этих уравнений дает ф*= Ае^+Ве-^+й., (1 — л) (43") и /₽х= — — — Ве~кх) — Ш (/, — х). (44") 77
Таблица Задавшись теми или иными исходными данными и выбрав граничные условия, можно найти А и В, подобно тому, как это было сделано для сосредо- точенной нагрузки, и далее найти выражения для и /рг из уравнений (43е) н (44 ). Например, положив /3=4а=0 и со, напишем (см. рис 65): 7jw=o= —Hi 11 Л»-г,==О. Подставив эти значения в уравнение (44'), получим гш71=Л — B+mnili И О=Лем* — откуда и в= и. С2Ы, ° Ui 1 _ pSW, е Подставив полученные значения А и В в выражения (43") и (44") и заменив /п=Лгп. получим ^М1-п)[1-Ц, С-^Х)] <®> и /„.,=-<(I -„)/,- -"IU,-*)- (48) Аналогичным образом можно получить расчетные формулы для других ис- ходных данных. Для справки такие выражения приведены в табл. 6. Подробный вывод всех формул опубликован [14]. § 9. АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДОВ И РЕЛЬСОВ НА ЛИНИЯХ ОДНОФАЗНОГО ТОКА (Q3 На линиях переменного тока на главных и станционных путях применяют в*качестве несущего троса биметаллический трос ПБСМ1 и ПБСМ2 сечением 70 или 95 мм2. Контактные провода на главных путях имеют сечение 100 мм5, а на станционных — 85 мм5. Электрические характеристики проводов приведе- ны выше в табл. 2. Для маневровых путей и для питания нетяговых потреби- телей применяются провода, описанные в § 7. Оборудование рельсового пути на линиях переменного тока отличается от линий постоянного тока тем, что на линиях без автоблокировки стыковые (для целей тяга), междурельсовые и междупутные соединения не предусматриваются, а на линиях с автоблокиров- кой эти соединения выполняются только по условиям работы устройств СЦБ [4]. Если в сетях постоянного тока встречается только одно понятие сопротив- ления проводов, то при переменном токе вводятся понятия активного, реактив- ного и полного сопротивлений. Как известно, при протекании переменного тока по проводу явление поверхностного эффекта ведет к увеличению сопротивле- ния провода переменному току по сравнению с сопротивлением постоянному то- ку. Такое сопротивление называется активным и его отношение к сопротивле- нию постоянному току, т. е. омическому, обычно оценивается коэффициентом г где Гп — активное сопротивление при переменном токе в ом!км\ г — сопротивление при постоянном токе в ом!км. 78 79
Явление поверхностного эффекта сказывается тем сильнее, чем больше ча- стота тока, поперечное сечение проводника, чем меньше его поверхность и, наконец, чем больше магнитная проницаемость материала, из которого изго- товлен проводник. Для медных и алюминиевых проводов, применяемых в кон- тактной сети, и при тех частотах, которые имеют место на электрифицированных дорогах переменного тока, явлением поверхностного эффекта можно пренебречь и считать активное сопротивление проводов равным омическому, т. е. k = 1. Наиболее сложно определение активного сопротивления проводников из ферромагнитных материалов и, в частности, рельсов. Сложность эта объясня- ется тем, что магнитная проницаемость материала рельсов зависит от величины протекающего по ним тока. Ток же в рельсах неодинаков по длине нх, так как в фидерной зоне нормально находится несколько потребителей (роездов), к то- му же часть тока протекает по земле. Величина тока, протекающего по рельсам, зависит от их сопротивления, и чем оно больше, тем меньше ток в рельсах, т. е. тем большая часть тока ответвляется в землю. В связи с этим определе- ние тока в рельсах сводится к трудной задаче расчета токораспределения в сложной сети с нелинейными параметрами. Для упрощения практических рас- четов принимается ряд допущений. Ниже в каждом случае эти допущения будут оговариваться особо. Рассмотрим зависимость активного сопротивления рельса от протекающего по нему тока. Для определения активного сопротивления массивных стальных проводов наибольшее применение нашли эмпирические формулы, хотя имеются и теоретические работы по этому вопросу. Для расчетов активного сопротивле- ния рельсов обычно используют эмпирические формулы Циклера 115]. Эти фор- мулы были проверены опытами, проведенными в лабораториях Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ) и, как отмечается в [16[, отклонение от опытных данных не превышало 5—10%. Согласно этим формулам: прн р<1 при 1<р<3 При Р>3 Здесь А=14-0,84 р<; *=0,758+Юдаз ₽= - 0,183 ; *=0,758+1,159 р. (40) ₽=2.ю~41/ где S площадь поперечного сечения рельсов в Р ~ периметр сечения рельса в см- Г —частота тока в гц; р-удельное сопротивление рельсовой стали ' относительная мапштаая проницаемо™ Последняя величина зависит от ...рельса. Рельса, которая определяется по формуле Ю" "оля Н "а П™Ч»“1°СТ" СМ2; в ом-л1м2/м; материала рельса. „ 0,4 л/,, а/см. где Л, —ток. протекающий по рельсу в о З"»™» площади поверстногосечещ.н пел И отношения S г.™ еВД1Я Рельс<®. периметра сечения и отношения-р-приведены в табл 7 Там Н женности ппи тагга ’ М Же да“ы значения И' — . (напря- женности при гоке в рельсе / — 1гл .... ' 80 р ) для Различных типов рельсов.
Таблица 7 Тип рельса 3 в ел3 Р65 . Р50 . Р43 . 82,9 65,8 57.0 0,0!8 0,020 0,022 Точные результаты можно было бы получить, располагая графиками зави- симости [1 = ф (Н), построенными для данного сорта стали на основе специаль- но проведенных опытов. Однако при большой неопределенности ряда Других факторов, участвующих в расчете, можно ограничиться имеющимися в лите- ратуре данными. На рис. 66 даны такие графики для горячекатаной стали с раз- личным содержанием углерода. Рис. 66. Зависимость относительной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля: л—для проводиикоа ns стали с различным содержанием углерода; б—для желеаподорож- Как показывает опыт, ток в рельсах может изменяться в весьма широких пределах (практически от нуля до нескольких сот ампер) и, следовательно, в столь же широких пределах может изменяться и величина Н. Как видно из кривых р = ф (//) (рис. 66, с), магнитная проницаемость уве- личивается при увеличении Н (а следовательно, и тока в рельсах) в зонах малого насыщения, т. е. до достижения максимума магнитной проницаемости, и наобо- рот, за пределами этого максимума—падает при увеличении тока. Интересно установить, какая часть кривой р = ф(Н) имеет значение для расчетов активно- го сопротивления рельсов в практических условиях. На рис. 66, о для рельсовой . 8! 4 К. Г. Мг.ркиардт
S," X. J PЛ.ПО» Р^СО», используя давяие -6л. 7, из форму» /р-= -^ Тогда получим, что максимум н соответствует току в рельсе от до 1 - -, Т. е. от 450 до 670 с. В двух рельсах одного пути получаются значения тока от 900 до | 340 а и еще вдвое больше — для двухпутного участка Такне значения токов в рельсах значительно превышают рабочие токи, имеющие место на железных дорогах переменного тока. ........ Эти соображения говорят о том, что рельсы на электрифицированных участ- ках однофазного тока работают в зоне относительно слабых полей if, следова- тельно, с увеличением тока в рельсах их магнитная проницаемость и активное сопротивление растут. На рис 66, б даны кривые, снятые для этой части напря- женности магнитного поля. Кривая I построена по данным ЛИИЖТа, кривая 2 — по данным ВЭИ, кривая 3 — по данным магнитной лаборатории Академии наук СССР. Эти кривые используются для ооределенмя сопротивления рельсов при расчетах цепей автоблокировки [17]. Определим активное сопротивление рельсов для значений тока в пределах от 0 до 300 а. Задавшись величиной тока 0, 100,200 и 300 а, найдем соответству- ющие значения И (воспользовавшись табл. 7) и затем для каждого значения Н — относительную магнитную проницаемость р (взятую как среднее из кри- вых рис. 66, б). Зная величину р и приняв для рельсов р = 0,21 ом-мя-'я, можно найти значение коэффициента р, использовав данные табл. 7. Далее по одной из формул (49) (выбираемой в зависимости от величины коэффициента Р) можно найти значение k Умножив на k омическое сопротивление рельсов (взятое из табл. 3), получим активное сопротивление целого рельса. Резуль- таты такого расчета сведены в табл. 8. Таблица 8 И в а/см 4 Грд в ом/км 100 о 1.8 3,6 5,4 200 300 100 200 300 о 2,0 4.0 6,0 Рельсы типа Р65 I 100 1 3,56 1 •1.9 I 0,124 125 3,96 5,4 0,137 250 5,62 7.3 0,185 380 | 6,91 8,76 0,220 Рельсы типа Р50 1 100 1 3,12 I 4,4 | 0,143 130 3,56 4,9 0,159 270 5.12 6,8 0,220 400 6,23 8.0 0,260 100 200 300 О 2,2 4.4 6,6 Рельсы типа Р43 1 100 1 3,00 4,24 I 0,160 135 310 1 420 3,50 5,30 6,20 г:1 3.0 1 0,181 0,256 0,302 боты проф. JI Р Нейп^^^лтппил' Х проводн,,ков> следует указать на ра- - Неймана, который предложил расчетную формулу [171 _0,28 г__ рл “ Р'ГРР/. 82
Таблица 9 . 'ра •"> H = -jr |‘ формуле (5(1) В ом/км Рельсы типа Р65 0 0 100 0,130 1С0 112 0.138 200 2,9 180 0,175 300 4,3 300 0,226 Рельсы типа Р50 0 0 100 0,147 100 1,6 118 0,160 200 3,2 210 0.214 300 4.9 314 0.274 Рельсы типа Р43 0 0 100 0,163 100 1.8 134 0,187 200 3,6 250 0,258 300 5,4 380 0.318 Подставив сюда р=0,21 шн.м.и2/м л /=50 гц, получим Гра = )/р" ОЛ/КЛ. (50) Напряженность поля в этом методе подсчитывается по формуле Н = н получается несколько меньшей, чем в первом случае. Проделаем расчеты ак- тивного сопротивления рельсов д ля тех же условий, что и выше, но по формуле (50). Данные расчета сведены в табл. 9. Из сопоставления результатов обоих расче- тов (табл. 8 н 9) видим их хорошее сов- падение. Значения активных сопротивлений рельсов в табл. 8 н 9 даны для одного целого рельса, т. е. без учета увеличения сопротивления за счет стыков. Согласно данным расчетов рельсовых цепей автобло- кировки 1171 сопротивление стыков прини- мается равным 0,024 ом!км (при длине зве- на 12,5 м). Взяв средние значения актив- ных сопротивлений рельсов из табл. 8 и 9 и добавив сопротивление стыков, получим сопротивление (в ом!км) одной нити рельсов однофазному току промышленной частоты (табл. 10). Из таблицы видно, что активное сопротивление рельсов превышает оми- ческое в 5—10 раз в зависимости от величины протекающего тока. Т аблниа 10 Ток в с Сопротивление одной нити рельсов однофазному току кромыш ленной частоты в ом/км для рельсов типа Р65 ₽5О Р43 0 0,15 0.17 0,19 100 0,16 0,18 0,21 200 0,20 0,24 0,28 300 0,25 0.29 0,33 § 10. ПОЛНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА ЛИНИЯХ ОДНОФАЗНОГО ТОКА 1 Полное сопротивление сети переменного тока состоит из активного в реак- тивного (в данном случае индуктивного) сопротивлении. Индуктивность или коэффициент самоиндукции всякой двухпроводной длинной линии, как известно, зависит от расстояния между проводами этой липни и радиуса поперечного сечения проводов. При увеличении расстояния менаду проводами увеличивается магнитный поток, пронизывающий петлю, и ра- стет индуктивность линии. При увеличении же радиуса сечения проводов ин- дуктивность падает. Если ток одного направления распределяется между не- сколькими параллельно соединенными проводами, что эквивалентно увеличе- нию радиуса сечения проводов, то индуктивность рассматриваемой линии умень- шается. Этим пользуются, например, в высоковольтных линиях передачи, «расщепляя» отдельные провода, т. е. заменяя один провод несколькими, сое- диненными между собой параллельно. 1 § 10 написан автором совместно с Г. Л. Мининым. 4* \ 83
П контакта!» подвесках несущий трос и контактный провод можно рас- смадаветГк™^пленный Провод. Аналогичное В оельсовой цепи в связи с протеканием части тока по земле, так как последняя проявляет себя как провод, параллельно присоединенный к рельсам. Поэтому да рХтах тяговой ос и переменного тока приходится определять со. датамеше всего контура вместе, а не сопротивление отдельных доводов, сбавляющих этот контур (как это делается при постоянном токе). В соответ- ствии с этим мы в дальнейшем под понятиями июлное сопротивление тяговой се- ти. и .расчет тяговой сети» будем понимать сопротивление и расчет всей схемы, состоящей из проводов, рельсов и земли. Определение индуктивностей сети с учетом конечной длины участка весьма сложно. Осложняется это еще тем, что ток в рельсах изменяется по длине пути. В практических расчетах заменяют этот изменяющийся ток некоторым средним значением и для определения коэффициентов самоиндукции и взаимо- индукции пользуются формулами, выведенными в предположении бесконечно длинной липин, относя их значения к 1 км длины линии. Полное сопротивление любого контура можно представить в комплексной форме как сумму трех слагаемых г=/‘в+/*'+/Х* ОМ/КМ, где г„~активное сопротивление в олг/к.м; х' — внешнее индуктивное сопротивление (т. е. сопротивление за счет магнитного поля вне проводника), х" — внутреннее индуктивное сопротивление (т. е. сопротивление за счет магнитного поля внутри проводника). Так как активное сопротивление проводов контактной сети принимается равным омическому, то в дальнейшем эта величина будет обозначаться так же, как и сопротивление постоянному току, т. е. гк. Активное же сопротивление рельсов много больше их сопротивления постоянному току, и эту величину будем обозначать через гра. Величина внешнего индуктивного сопротивления может быть определена из выражения (51) (53') x'=aL ом/км, (52) где ю = 2я/; L—коэффициент самоиндукции (за счет внешнего магштюго поля) в гн/км. Внутреннее пидуктавное сопротивление проводов определяется формулой и ту Ю-> оя1км. (53) „ МедаЫХ " алюм"га™х проводов магнитная проницаемость ц = 1. «в контактной сети опреде- Хк = у 1U-* ОМ/КМ. S™nXrpoT,,MeH™ т° "ма Приближенно можно поинятг ПК! 1!Цаемости его определяют иначе, ставляет 75% от их актив,того соиротибши™ еС0"Р°Т"МИ'"е РМЬЮВ Хр =0,75 Грд ом/км. (53я) Полное сопротивление взаимной индукции „„ Ч1щии между двумя контурами Хм — = j ы Л1 ом/км, /зд где М— коэффициент взаимной индукции в гн/ы '
или в земле. Если щ Рис. 67. К определению .коэффициента взаимной ин- дукции: К—индуктирующий провод; С— провод с индуктируемой 3. л.,с. Для определения коэффициентов взаимоиндукции А? и самоиндукции L при применяемых частотах переменного тока и высотах расположения про- водов контактных сетей над землей может быть использована работа Полл «че- ка [18]. Эта работа наряду с некоторыми другими посвящена определению коэффициента взаимной индукции контуров, использующих в качестве обрат- ного провода землю, имеющую конечную проводимость. Расчетная схема этого метода имеет следующий вид. Длинный прямой провод К, проложенный параллельно плоской поверхности земли вдоль оси z с координатами О, b (рис. 67), находится в воздухе этому проводу проходит синусоидальный перемен- ный ток /к, то вокруг него возникает переменное магнитное поле, вызывающее в земле вихревые токи, накладывающие свои магнитные поля на основное поле. Результирующее магнитное поле создает индуктированную э. д. с. во втором про- воде С, расположенном параллельно первому с координатами а, с (см. рис. 67). В работе Поллячека рассматривается индук- тирующий провод К бесконечно большой длины; размерами его поперечного сечения и затуханием вдоль провода пренебрегают, что дает возможность упростить задачу до двухмерной, полагал, что все величины поля не зависимы от длины провода. Принимая указанные предпосылки, можно вапн- с'ть выражение для э. д. с., индуктированной в проводе С длиной /: Ес = —1<яМ1к1. Здесь коэффициент взаимной индукции Af между проводами К и С являет- ся величиной комплексной, зависящей от частоты, и определяется по формуле Af = f 1 + 2 In-----------------1(Н гн/км, \ 1,78а] '2; где а-—расстояние между осями проводов в см; о = 2 я f— утловаЗГчастота; а — проводимость земли в единицах CGSM (сек/см-). В самом индуктирующем проводе при протекании в нем переменного тока возникает э. д. с. самоиндукции, пропорциональная коэффициенту самоиндукции. Последний определяется следующим образом. Если второй провод С (с диаметром, близким к нулю, иначе говоря, ось) приблизить вплотную к первому проводу К (т. е. расположить на его поверхности), то магнитный поток, пронизывающий контур второго провода, будет являться одновременно внешним потоком контура первого провода. Тогда коэффици- ент взаимоиндукции становится равным коэффициенту самоиндукции пер- вого провода. При этом поле внутри первого провода не принималось во внимание, поэтому коэффициент самоиндукции L относится только к внеш- нему полю и получает условное наименование «внешнего» коэффициента самоиндукции. Для его определения следует в формуле (55) заменить рас- стояние между осями проводов а (в см) на радиус первого провода 7? (в см): L = ( 1 -|- 21я —-—- ;-----У -я ) 10~* гн/км. \ 1,78/?]/4яс»о 2/ (56) В системе единиц СИ проводимость земли измеряется в сим/м Примем распространенное в литературе обозначение проводимости земли в этой систс- 85
ме у, Учитывая соотношение между ° пинах системы CGSM и системы СИ. о 1 Т > где а — расстояние между осями проводов в л; R ради>с провода в м; V.. —проводимость земли в сим/м. Соответствующие этим коэффициентам взаимоиндукции и самоиндукции сопротивления ле чисто индуктивные, а комплексные, мнимая часть кото- рых 10-* при умножении на / со дает действительную часть 10-4 (при частоте f = 50 гц равную 0,05 ом/км), которая представляет собой активное сопротивление земли как одного из обратных проводов. Использовав формулы (51) — (53"), (56') и заменив R на RK, получим полное сопротивление для контура контактный провод — земля: z« = n«4 /у 10-* + /и (55-) (560 IO1 ( I + 21n------‘P* — . — j J) 1O-*. (ST) \ 1,7874VЮяву. 2/ Перейдя к десятичным логарифмам, для частоты f=50 гц после упро- щений получим гк=Гк-|0,05 + /0,И4(2,08-|6(?ку-^) ом/км. (579 Индекс к, как и выше, означает, что величина относится к контактному проводу. Входящая в формулу (57') величина уэ (проводимость грунта) в различных условиях изменяется в широких пределах. Для частоты 50 гц и некоторых сред- них условий принимают у3 — 10-3 сим/м. Полное сопротивление контура одиночный рельс —земля будет равно Zp=r,»+/0,7Sr„+/w(l+21n ——===-------------------/") 10-<. (58) \ 1,78 кр у 10люу3 2 ) Здесь индекс р означает, что величина относится к рельсу a RP — радиус окружности с длиной, равной периметру поперечного сечения рельса в л,т. е. 2л <вел,,чш,У периметра соответствующего типа рельса можно взять из табл. 7, переведя его в метры). После подстановки f =50 гц, перехода к десятичным логарифмам и упро- щении получим J г Zp’ fpa IA0S-H'0,144(1,97 |-5,2 r„ — 1g/?„ ( т ) 0XI/M1. (И') Так как тяговая сеть состоит ns ряда проводок к ряда рельсов то при расчетах приходятся учитывать влияние взаимной индукции контуров каждый из которых состоит из провода и земли пли рыьса и зсх™, 1 W Используя формулы (64), (569 и произведя упрощения' подобные сделан- ным выше, получим полное сопротивление взтюшиукцш для / SO ", 2xi- 0,054-/0,144(1,97— Ignj/y,’) од/kxi. (SO) Wk^S^S эквивалентным горизонтальным проводом п^я '«1™^,и можно заменить стрел провеса п высоты провода над рельсом с nrS-n 1ОЯ1ИХСЯ соотношении ностью можно ([14], стр. 416) принимать эквипя?^310'1"0 для пРактикм то4' „ый на /. стрелы ₽'™°'ЮЖ‘!В-
Q § 11. РАСЧЕТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ ОДНОФАЗНОГО ТОКА Выше уже отмечалось, что всю совокупность проводов и рельсов можно за- менить рядом контуров. Зная активное и реактивное сопротивления каждого контура в оценив их взаимное влияние, можно найти полное сопротивление тяговой сети, а также его активную и реактивную составляющие. Рассмотрим сначала наиболее простой случай, а затем перейдем к более сложным, сводя их каждый раз к этому простому. Однопутный участок с одним контактным проводом нли цепной подвеской при стальном несущем тросе. При рассмотрении будем считать контактный про- вод симметрично расположенным относительно рельсового пути, т. е. будем полагать этот провод лежащим на одной н той же высоте в вертикальной плос- кости, проходящей через ось пути. Сюда же можно отнести с до- статочной точностью н случай зигзагообразного (относительно оси пути) расположения провода. Вследствие малой проводи- мости стального троса примем, что весь ток протекает п тактному проводу. В качестве расчетной возьмем схему с одним контактным проводом н одним рельсом (рис. 68). Падение напряжения в контуре, составленном из контактного провода и рельса, можно рассматривать как разностьпадений напряжения в кон- турах провод — земля и рельс — земля (см. рис. 62). Так как ток в рельсах не остается постоянным, то удобнее говорить о падении напряжения в элементе контура длиной dx, счи- тая на этой длине ток равным /рх. Для большей наглядности примем, что условное положительное направление тока в рель- сах противоположно направлению в контактном проводе, т. е. противоположно 'тому, как это было принято выше при со- ставлении табл. 5. Падение напряжения в элементе контура контактный провод — земля будет складываться из произведений тока в этом контуре на сопротивление элемента этого контура zKdx за вычетом э. д. с., вызываемой в этом контуре током рельса /рл которая будет равна )pxzKpdx, где zKp—сопротивление \ •взаимоиндукции, определяемое по формуле (59). Аналогично может быть определено и падение напряжения в контуре рельс—-земля. Оно будет равно произведению тока рельса 7рл. на сопротивление элемента контура рельс—земля С zpx dx за вычетом э. д. с, вызываемой в этом контуре током контура кон- тактный провод—земля /0. Последняя будет равна 10гкр. В дальнейшем для большей простоты изложения мы будем заменять поня- тия «контур провод — земля» или «рельс — земля» условно словами «провод» н «рельс», т. е. вместо падения напряжения в контуре провод — земля будем говорить — падение напряжения в проводе. Аналогично, вместо э. д. с., выз- ванной током контура рельс — земля в контуре провод — земля, будем гово- рить — э. д. с., вызванная током рельса в проводе, и т. п. Исходя из изложен- ного выше, можно написать, что падение напряжения в тяговой сети на длине dx будет равно dAUо2к —’7р.г4~ 7pxzp.v 70 ZxP) dx. Падение напряжения па всем расстоянии I от нагрузки до подстанции Дб0 = J dAL/o или /©Zr / '-- Z|;P I -J- f (7рх Zpx -- ^p^Zj.p) dx. ° 87 Г “epf " L Рис. 68. Основ--1 Л) пая расчетная *• схема для опре- деления сопро- тивления тяго- .- вой сети одно- t фазного тока Ту»
Если пренебречь взаимной зависимостью между величинами /рг н zvx и заменить ток в рельсе и его сопротивление средними значениями /р и zp по длине пути, а падение напряжения определять на длине, равной 1 км, то можно написать Д Мо •— ——/ezKp-|-/pZ’p —/ракр в/км. (50) Так как полное сопротивление 1 км тяговой сети (контура провод — рельс) г0 равно отношению то из выражения (60) получим Л> z0 = zK — *кр + (zP — zKp) 4 омIкм. (61) Л> Уравнение (61) говорит о том, что параметры тяговой сети однофазного тока зависят от величины тока в рельсах и, следовательно, от распределения тока между рельсами и землей. Средний ток в рельсах может быть найден из выражения = “у ( ipx dx. о Подставив сюда значение Ipx из табл. 5 (пункт 6), полагая 4 = меиив знак на обратный, получим / _/о(1~я) /₽ I I kl /d,_ dx 4- n/Of откуда 2^ТГЙ“1у + "/' / «4 2 Подставив полученное значение отношения 4Р- в|уравнение (61), най- дем среднее значение полного сопротивления I кл( тяговойХсети (62) : 2кр Jr (Zp — ZKp) М Ш-- 2 (6Г) Подставляя сюда вместо п равное ему отношение получим окончатель- но выражение Для определения г, .. kl < (Zp-Z.p)2 *7 + —г,,~ьг 2 (63) 88
Для тех случаев, когда нагрузки расположены вблизи от подстанции, а переходное сопротивление достаточно велико, можно принять, что к/ л .. kl Л _ и и ill —и, Следовательно, . lini Тогда из формулы (63) получим th2 2 ZC=2K- |-Zp —2z1(p ОЛ/КЛ. (63-) Для случаев же, когда нагрузки значительно удалены от подстанции, ь/ а переходное сопротивление столь невелико, что можно считатьсо исо- kl ответственно th I, будем а) иметь 22 z0 = zK — ~ OMjKM. (63*) Последний случай соот- ветствует предположению, что весь ток в рельсе возникает вследствие наведения в нем э. д. с. током /0. Эта з. д. с. равна /охкр, а соответствую- щий ток в рельсе равен , откуда i- _ ZP /о ZP Подставив значение этого от- Рис. С9. Расчетная схема для определения сопро- тивления тяговой сети на однопутном участке: с—-цспили подвеекэ со стальным несущим тросом; б—цеп- ная полпеска с ыедным несущим тросом ношения в уравнение (61), так- же получим уравнение (63*). В действительных условиях значение величины z0, полученное по формуле (63), будет лежать в пределах, определяемых формулами (63*) и (63”). Эти две предельные схемы соответствуют положениям, когда весь тяговый ток течет по рельсам п, наоборот, когда весь тяговый ток течет по земле. В наиболее простой схеме рис. 69, а, в отличие от рассмот- ренной выше расчетной схемы рис. 68, на земле будут находиться два рельса, поэтому уравнение (60) заменится другим, учитывающим влияние тока во вто- ром рельсе на падение напряжения в первом рельсе. Полагая полное сопротивление обоих рельсов одинаковым и равным (каж- дого в отдельности) zp, а ток в каждом из них равным */а/р, напишем выражение падения напряжения в контуре контактный провод — первый рельс на длине, равной 1 км. Апр — /pZk-------2*^р^кр> — ZKP2 И- g" zp-j- g /pzPi2 — A>zkPi- Здесь zKpi и 2|ф2 — те же величины, чтоивыше, по относящиеся соответст- венно к первому и второму рельсам; zPi2 — сопротивление взаимоиндукции между первым и вторым рельсами. Очевидно, что zpI2 =/<оЛ1р1?, где Л4р12 -- коэффициент взаимоиндукции между первым и вторым рельсами, определяемый по формуле (55). Совер- 4В. К Г. Маркплрдт №
.. , _ д в xjGffrvne контактный провод — его Омтпптжяж • - • > т я ^0 вдказывает, что два рельса мопт " уГ Л . ..-. -л» по оси пути с сопро- бьпь заменены одним «мммясмь тнвленвем Zopi равным г„. = -g °ж кя- 165> Подставив в формулу (65) значения zp н zpi2 согласно выражениям (58') и (59), получим Z»| = у [г„+а05^-/0.144(1Д7т5.2г„-1ей,1,7Э+ +0.05+/0, 144(1,SZ — lgapn /Я] • Здесь ар1 г —расстояние между осями первого и второго рельсов в .и; остальные обозначения те же, что н выше. После упрощений получим окончательно z„,-у+0.05+/0.144 (1.97+5,2-^ —ол к.«. (66 Сравнение выражений (66) и (68') показывает, что полное сопротивление 1 км эквивалентного рельса можно определять по формуле, выведенной для одиноч- ного рельса (58’), заменяя его активное сопротивление вдвое меньшим, а радиус поперечного сечения рельса— эквивалентным, определяемым формулой 2?р» = V ^?pflpi2 л*. (67) При этом схема рис. 69, а сводится к схеме рис. 68. Аналогичные формулы имеют место в расчетах линий передачи с расщепленными проводами. Полученное значение z3pi при определении полного сопротивления гй для тяговой сети однопутного участка со стальным несущим тросом следует подставить в формулу (63') или (63'г) вместо. Однопутный участок с цепной подвеской прн медном несущем тросе, Прн определении параметров тяговой сети, если применена цепная подвеска с медным или биметаллическим несущим тросом (рис. 69, б), кривую провиса- ния несущего троса, как указано выше, следует заменить горизонтальной ли- нией, а два рельса — одним эквивалентным. Падение напряжения в контуре контактный провод — эквивалентный рельс на длине 1 км представится [см. также формулы (64) и (66)1 выражением А°кр = Лс ZK 4- /т ZKT — /р Зкр т- / р ZSpi — 1К 2Кр — IrZjp. (а) Здесь индекс т означает, что величина относится к несущему тросу. Индек- сы кт ктр указывают соответственно, что величина, снабженная этим индек- сом, определяется взанмошщуктивностыо между контактным проводом и тро- сом или между тросом и рельсом и находится по формуле (59). Так как zltp и гтр очень близки по величине друг к другу, то с доста- точной точностью можно принять zTp=zKp. Учтя, кроме того, что /к+/т = —10, получим Айхр= /«Zx-b/vZHT— /pZKp+ZpZspj — /oZkp BfKM. (б) 90
Падение напряжения в контуре несущий трос — рельс можно написать по аналогии, поменяв местами в последнем выражении индексы к и т: Д нтр = /т zT-f- /к zKT •— /р 2Kp-h Ip 2ЭР1 — Io ZKp в/км. (б') Здесь zT находится по формуле (57') с заменой гк на гт и /?к на Я,. Так как падения напряжения Дпкр и Днтр должны быть равны, то 1ц 2К -J- /т 2кт= /т Zf4- /к ZKT, откуда /к (Zk — ZKT) = /, (ZT — ZKT), нли В;., производную пропорцию 1к _ 2т —2кт /к+/т ZkJ-Zt —2zKT ’ найдем / — / г* ~~Zicr (Г) По аналогии / _i ‘‘•‘—Ъ* Подставив значения 7К и /т из уравнений (г) к (д) в уравнение (б) и за- менив Д«кр на Д«о, получим Ahd=/q ----7р2Кр4-/р2Эр| --iozKp в/км. Из последнего выражения найдем полное сопротивление I к.и тяговой сети z0 = ,к т—---------z«4>-i-(z3pi — 2кр) ом/км (68) 2к I *т — "кт /о Сопоставив выражение (68) с выражением (61), мы видим, что цепная под- веска, состоящая из медного троса п провода, может быть заменена одним экви- валентным проводом с сопротивлением z9Iti, которое равно z”‘ = °м,ы- (69) С достаточной для расчетов точностью можно считать, что этот эквивалент- ный провод расположен посередине между контактным проводом и горизон- тальным проводом, заменяющим несущий трос. Полученное значение zSKj при определении полного сопротивления тяговой сети z0 однопутного участка при медном или биметаллическом несущем тросе следует подставить в" формулу (63') или (63") вместо £«. Таким образом, задача сводится к расчету ^простейшей схемы рис. 68. В расчетах удобнее пользоваться формулой для определения z3Kl, при- веденной к несколько иному виду. г«’ +2" °м,км- {2к — Zkt) i lzr — *ktJ 4 В* 61
В этом выражении согласно формулам (57') и (59) «.-г«,=г,+/0.144 (0,1 Hlg °“1); \ / «,-«„=/•,+/0.144 (O,*l+lg^-j ; (OS') г„=0,05+/0,144(1,97-lgc„Vl’.) I Здесь ап — расстояние между контактным проводом и горизонтальной ли- нией, заменяющей кривую провисания несущего троса, в м; RK н Rt — радиусы поперечного сечения соответственно контактного прово- да и несущего троса в л. Двухпутный участок. Провода контактной сети первого и второго путей в зависимости от принятой схемы питания могут быть соединены параллельно, ------------------------------ып„ соединяться в «узловую Ч fa К определению со- Рис. 70,------------------- противления тяговой сети не двухпутном участке- с—схема расположении приво- дов > рельсов, б—расчетная питаться раздельно или соединяться в «узловую схему» (см. рис. 14). В обоих последних случаях следоввло бы учесть влияние токов в отдельных рельсах на распределение тока между отдельными проводами контактной сети, равно как и влияние токов в этих проводах на распределение токов в рельсах. Такое решение задачи возможно, но оно приводит к весьма сложным выкладкам и форму- лам 114]. Если же принять некоторые допущения, можно без ощутимой погрешности значительно ув- •рЗ '₽♦ ростить как расчетные формулы, так и их вывод. Схема расположения проводов на двухпутном уча- стке представлена на рис. 70, а. В общем случае типы (категории) и числа поез- дов, одновременно находящихся на разных путях, различны. Различны и элементы профиля, на кото- рых они могут находиться. Вследствие этого в про- водах контактной сети отдельных путей при раз- дельном их питании или узловой схеме токн, как правило, различны. Токи отдельных проводов сети одного пути могут быть разными из-за неодинако- вой проводимости и различного расположения этих проводов относительно рельсов. Токи в отдельных рельсах также неодинаковы вследствие различного влияния на каждый из четырех рельсов со стороны проводов контактной сети и остальных рельсо (так как расстояние от каждого рельса до проводов н других рельсов различно)- Поэтому на рис. 70, атоки во всех проводах и рельсах показаны различным»- Однако можно исходить из равномерного распределения тока по всемчеты* рем рельсам, так как практически это не вносит заметной погрешности- Объяс* нястся это тем, что влияние тока в проводах контактной сети смежного пут”» расстояние от которых до внутреннего рельса другого пути меньше, чем Д крайнего, приводит к увеличению тока в средних рельсах. Обратный результа^ имеет место из-за влияния тока в рельсах смежного пути на каждый рельс АРУ того, так как токн в рельсах имеют одинаковое направление, а расстояния О* рельсов смежного пути меньше до внутреннего рельса, чем до крайнего. 1а- кнм образом, эти влияния вызывают лишь небольшую неравномерность распр®' деления тока по отдельным рельсам, так как меньшее расстояние между реЛ’»" сами по сравнению с расстоянием от рельсов до проводов компенсируется умсиЬ' шепнем тока в рельсах (часть тока ответвляется в землю). Наконец, следует от- метить еще одно обстоятельство, способствующее выравниванию распределен!”1 тока в рельсах. Здесь имеется в виду зависимость сопротивления рельсов от тоН” в них. Повышение тока в рельсе вызывалобы увеличение его сопротивления следовательно, выравнивание тока по параллельно соединенным рельсам. С?
Переход к эквивалентному рельсу удобно осуществить в два приема: спер- ва заменить два рельса каждого пути одним эквивалентным рельсом с сопро- тивлением Zspi, а затем найти сопротивление рельса, эквивалентного обоим путям, —z9p2 При этом эквивалентный рельс можно считать находящимся в плоскости расположения четырех рельсов по оси междупутья. Сопротивление рельса, эквивалентного двум рельсам каждого пути, сог- ласно формуле (65) равно гэр| — (г₽4"г₽ >2). Так же может быть найдено сопротивление рельса, эквивалентного че- тырем рельсам двух путей, Zsp2 — g-(Zspt4-2j.il), (70) где 2], п - - полное сопротивление взаимоиндукции между эквивалентными рельсами, заменяющими первый и второй пути, в ом /км. Тогда 1 /2р-|-2р|2 \ ”2 “ У (------2---+ |' "J ' или г»рг = 4 (*r+zpis +2j| 11) (70) Воспользовавшись формулами (58') и (59), получим г.рг = +0,05+/0,144 (1,97 + S,2-1g 1'7<, р-у.) (71) Следовательно, эквивалентное сопротивление четырех параллельно сое- диненных рельсов может быть определено по формуле, выведенной для одного рельса (58') при замене активного сопротивления величиной, в четыре раза мень- шей, н радиуса поперечного сечения одного рельса 7?р некоторым эквивалент- ным, определяемым формулой 7?рЭ = ftpOpi2 Oi. 11 м. (72) При параллельном соединении проводов кон- тактной сети обоих путей можно, подобно тому как это сдела- но для рельсов, заменить их одним эквивалентным проводом. Провода контактной сети каждого пути могут состоять либо из контактно- го провода со стальным несущим тросом, либо из контактного провода и мед- ного троса. В последнем случае каждая подвеска при помощи формулы (69) пли (69') может быть заменена одним эквивалентным проводом. При стальном же тросе из-за его очень малой проводимости, как отмечалось выше, можно счи- тать токонесущим лишь один контактный провод. Следовательно, в обоих слу- чаях будут иметь место два параллельно соединенных между собой провода (контактных пли эквивалентных). Полагая сечения проводов обоих путей одинаковыми, можно заменить эти провода одним эквивалентным, расположенным па той же высоте над эквива- лентным рельсом. Полное сопротивление 1 км такого провода определяется формулой, аналогичной формуле (70), полученной для эквивалентного рельса ZskS = Y (2,к | + ZJ.1 t) 0MIKM. (73) S3
Здесь в„,-полное -Р—е “ XS?„X XZX'e по формуле (69),™ , ,-гюлюс сопротивление взаимояндуипн между контактным, Или ' малепХш проводам., сети двух путей, определяемое фор- Эта ведавши, одавакова для проводов и аквпва- Хвых рельсов двух путей вследспше равенства расстоянии ™ проводами двух путей ., эквивалентными рельсами. Если в выражение (73) подставить значения составляющих для случая, когда каждый путь имеет только один коитажнын провод (проводпмостыо стального троса пренебрегаем), то получим z»«!= 2 + 0.0Sа-/О,144(2,08—1gуJ?K11 ом/км. (73") При наличии проводящего гроса подобное выражение было бы при исполь- зовании формул (693 и (69") очень сложным, поэтому лучше производить вы- числения каждого члена формулы (73) отдельно. Полученные значения хэр2 и zSK2 при определении полного сопротивления z0 двухпутного участка при параллельном соединении проводов надлежит подставить в формулу (63*) или (63*) вместо zp и zK соответственно. При раздельном питании проводов контактной сети путей1 задача замены проводов двух путей одним эквивалентным усложняется. Токи поездов каждого пути протекают по проводам только своего пути. Вместе с тем токи, протекающие по проводам смежного пути, вызывают э. д с. взаимоиндукции и, следовательно, потери напряжения в проводах первого пу- ти. Поэтому потери напряжения в проводах первого пути зависят от величин нагрузок и их расположения на втором пути, а также от взаимного расположе- ния проводов первого и второго путей, но не зависят от сопротивления проводов этого (второго) пути. Поэтому если пойти по пути перехода к эквивалентному сопротивлению, представляя его, как и выше, в виде отношения падения напряжения на первом пути к току нагрузки первого пути, мы введем отношение токов второго и пер- вого шевня Практически это вводит новую условность и не создаст никаких удобств Ограничимся здесь освещением основных положений при расчетах двух- путпьж участков с раздельным питанием проводов. Пусть ток в проводах перво- го пути равен А (рис. 70, б), а второго пути А. Тогда падение напряжения в контуре провода первого пут.. - рельсы па длине ( ни будет равно A"1=/.Z„i+7pZsr2+/1Z1.1, —— сет,,3™^т„ЧЛ»т„^ДСТаМЯе’ С0б0й падию напряжения в проводах сети первого пути, второй — в рельсах; третий — учитывает влияние тока в проводах второго пут., и четвертый - вляяшж тока в „а. > Дале, до стр. Щ тт,а„, Г Г Марг, ,т. е. эквивалентное сопротивление станет функцией этого отно-
А так как 7р— ^р1_Г'/р2» где /Р1 и /р2 —токи в рельсах соответственно от нагрузки первого и вто- рого путей, то Л [(^x1 — ZK|>)+ (2эр2 — 2Kp)j -J- Т ^2 £(г!. II ?кр) -j- (ZSp2 — ZKp)J - Или, воспользовавшись формулой (62), напишем: ДЙХ=Л (Zs« | — 2i:p)+ (Zsp2 — ZKp Г s ( a h ~г А (г1. Г! —ZKp) 4-(Zsp2 ZKp) 1 2 J (74) Выражение в первых фигурных скобках можно назвать полным сопро- тивлением одного пути двухпутного участка при раздельной работе путей и обозначить через zx th W th g Zi = ZskI ZKp + (2эр2~гкр) (1 я) i" п - (75) ~2 Обозначив далее z9xi—г1гц=Дг, (76) можно записать выражение (74) в ином виде Д«х=/1 zx4-/s(zx —Дг). (74') Из полученного выражения (74*) можно заключить, что при раздельной ра- боте путей расчет падения напряжения до какого-либо поезда от нагрузок со- седнего пути можно вести так же, как и от нагрузок рассматриваемого пути, но с заменой сопротивления zt на сопротивление (zt — Да). Рассмотрим величину Дг. Прежде всего, используя выражение (59), на- пишем: г,. п =0,05 + / 0,144 (1,97-1g а,. п )/£). (77) Далее, используя выражения (693, (69я) и (77), можно написать для Дг: [г.+,0.144 (0,11-1 16£")] [^+/0,144(0.11 + 18^)1 г.+,,+/0,144 (o^+lg^) +/O.1441g^-U-. (78) 95
При обычно принимаемых расстояниях между проводами вместо (/8) получим . (ГкЧ-/ 0.336) (гт-Н 0.336) . 0 оя (78') Дг= —1 Тил подвески Таблица 11 Az = Дг + /Ах в ом]км С-50 4-МФ-100 ПБСМ-954-МФ-100 М-95 4- МФ-100 М-1204-МФ-100 0,1894- / 0,426 0,170 4-/ 0,287 0,098 4- / 0,257 0,0894-/0,255 Численные значении Az для различ- ных подвесок приведены в табл. 11. Что касается полного сопротивления zx, то оно может быть найдено по приведен- ной выше формуле (75). Рассмотрим значение zx для двух пре- дельных случаев (см. формулы (63') и (63")]. Для первого случая получим Zi=ZskI +Zsp2 — 2zkp (75‘) II для второго 35р2 ‘ (753 значение гэрг из (71) и zKP из (59), а также используя вы- Подставив__________________________„„ ражения (69') и (69"), после преобразовании получим: .. kl *1 2 при — 1 (переходное сопротивление весьма в^ыко), т.е. для формулы (/ 5') /0,144(0,11+18^)] (г,+ /0,144^0,11+lg^’jj Гк+с,+/О.144(0Д2+18^.) + <g +/0,144+ ------У (79) \ °«Т1 R„amalu ) Л % при-^-=0 (переходное сопротивление равно нулю), т.е. для формулы (75*) Т ПЛ-/0,144 (o.ll+lg (г,+ /0,144 (o.ll l lg Гх+г,+ / 0.144 0,22+lg Кк Кт J Ml +/0,1441g^ [0,054-/0,144 (1.97-lgaKp/yJ] 0.144/'' 5?/±S-Hg- +---------------------—I--------\ ^pgpl2Cl. it 'f+0,05+ /0,144(1,97 + S.2fe-l8Y^^fu- ,/-) (793 Для нормальных габаритов, при контактном проводе МФ-100 пеньте Р90 проводимости грунта Vs= 10-® снад будут raffifb место X. ичйш ^аз ’ ные в приводимо,, „иже табл. 12 (при токе в рельсе "римерко TsOtfJ 4 2
Тип подвеска г, = г, 4-/ х, о ох/км г„-со -и — 0 С-50 4- МФ-100 ПБСМ-95 МФ-100 М-95 4-МФ-100 М-120 4-МФ-100 0.244 4-/ 0,607 0,2254-/ 0,468 0.1534-/ 0,438 0.1444-/0,437 0,221 4- / 0,561 0,202 4- / 0,422 0,130-i- i 0,392 0,121 4-/ 0,391 Тип подвески г, “ г, -}- /х, в ом/км С-504-МФ-100 ЛБСМ-95+МФ-100 М-95 4-МФ-100 М-120 4- МФ-100 0,2334-1 0,584 0,214 4-1 0,445 0,142-г/ 0,415 0,1324-/ 0,414 в этом случае Ввиду неопределенности переходного сопротивления и изменения его в те- чение года расчет средних за год величин целесообразно вести по средним значениям а* при z„ = оо и zn = 0. При этом погрешность расчета z* будет не выше 5 — 9?о. Средние значения z, приве- дены В Табл. 13. Тайлпм» 13 На дорогах переменного тока широкое распространение получила схема узло- вого питания (см. рис. 14). При та- кой схеме токи второго пути вызывают в проводах первого пути дополнительные падения напряжения, создаваемые не толь- ко наведенными э. д. с., но и за счет галь- ванической связи проводов первого и вто- рого путей. Выражение для эквивалентного сопротивления _ _______ __ получается мвло удобным, поэтому будем рассматривать непосредственно расчет подобных схем в главе VI, посвященной расчетам мгновенных схем. Составное и эквивалентное приведенное сопротивления тяговой сети для определения потерь напряжения. Выше мы определяли полные сопротивления (ом/км) тяговой сети. Умножение этого сопротивления (в комплексном виде) на ток (в комплексном виде) даст величину падения напряжения в тяговой Рис. 71. К определению потери напряжения в тяговой сети однофазного тока: с—мгновенная схема участки с одной нагрузкой; б—векторная диаграмма; £/,—напряжение у локо- мотива; /—потребляемый им ток; £/,—напряжение на шинах тяговой подстанции сети на протяжении 1 км. Для большего числа расчетов существенно важным является не падение напряжения, а потеря его. Под падением напряжения по- нимают геометрическую разность, а под потерей напряжения — арифметнческу ю разность между напряжениям! у подстанции и потребителя (локомотива). Составное сопротивление тяговой сети. Для определения потери напряжения при синусоидальном токе рассмотрим векторную диаграм- му для участка однофазного тока при одной нагрузке в конце его (рис. 71). Здесь (рис 71 б) падение напряжения представлено отрезком EF, а потеря напряжения — отрезком ЕС (FC — засечка радиусом OF из центра О). Ве- личина ЕС составляется из двух частей — ED и DC (FD J. ЕС). При рас- четах обычно пренебрегают величиной DC, заменяя величину ЕС проекцией EF на вектор ОЕ, т. е. отрезком ED. Таким образом, спроектировав векторы EG и GF па прямую ОС, получим: д (J=IF cos ф-|- IX sin ф=/ (/? cos ф+Х sin ф). Здесь выражение У?со8ф4-Хз1пф имеет'размерность сопротивления в он и обычно называется «составным сопротивлением». Практически сопротив 97
Рис. 72. Двухполулериоздое выпрямление пере- менного тока на электровозе: а к б—пршщнпиааы1иг схемы выпрямления соответст- венно с нулевым выводом >1 мостовая; с—кривые на- пряжения И ТОКО Ленин сети г„ и л. отнесенные к I км, считают постоянным!, но длине, т. е. R~rel и X xl Тогда 1Цго cos ф-К sin ф), ) где Zc = г, cos ф -| х sin ф также именуется составным сопротивлением в ом/км. Величины га и х берутся соответственно как действительная и мнимая части полного сопротивления (т. е. ra~ Rezfl и х = InizJ. Соответствующие составные сопротивления, необходимые для расчета по- тери напряжения на двухпутном участке, могут быть найдены по формуле Дгс=Дг cos ф4-Дх sin ф, (80") где величины Дг и Дх могут быть взяты из табл. II. Таким образом, прн сину- соидальных токах расчет потери напряжения до рассматриваемого поезда от нагрузок соседнего пути может производиться так, как будто эти нагрузки рас- положены на рассматриваемом пути, но составное сопротивле- ние уменьшено на Дгс. Эквивалентное при- веденное сопротивле- ние тяговой сети. Расчет потерь напряжения прн выпря- мительных электровозах обла- дает некоторыми специфически- ми особенностями [31 ]. Остано- вимся на них несколько под- робнее. Наибольшее распростране- ние на дорогах переменного то- ка нашли электровозы со стати- ческими преобразователями. По- скольку питание электровозов осуществляется от сети однофаз- ного тока, то выпрямление тока осуществляется по двухполупе- риодной схеме. Для этой цели используются схемы как с нуле- вым выводом (рис. 72, а), так и мостовая (рис. 72, б). На этих схемах: е — э. д. с. трансформа- тора; Б — вентили; — сум- марное активное сопротивление цепи выпрямленного тока; Xd — .. „ суммарное индуктивное сопро- ™^ение 70,1 цепи. При такой схеме выпрямления напряжение на стороне Р„.,.ОЯН”ОГО Т0КЗ подвеРжеко сильной пульсации, вызывающей в свою оче- отп=иГХрКаЦ"Ю«Т0Ка В ТШтаЬ,Х ДЯИЭТМЯХ. Поскольку ПОСЛСДНИЯ ПрСДПО татп V ТЯГ'®Ь1* даигатоюй' особенно >.а процессах его комму- ™ ОУ Вшеж,я п»?ь,аига' ’ока » цепь постоянного тока вклю- чают сглаживающий реактор (см. рис 72, а и б). по1™ИпТ™ЛуПер1'ОДИО>' "“П»ш«ннн в кривой ток» в течение каждого ^Х кна Е"^°разл"чать ДВ' 30"ы Р0б°™ (Р“С- 72, о). Первой зоной та™ , тока в всятвлях —период, в котором гор.гг оба вен- »ci:b'cTorjacirr>'^O^-[*fc₽eXO;Ia 11агРУзки с одного вентиля на другой- В это время “'корокссл™?5" ’(«'“Формнтора замыкается через два вентиля, т. е. напряжение равно нулю. Второй н отред“тет г- с- OJ"«oHiioro горения веитт^ей, которая казаны “-XZXS?™™ Т”ГОВКХ На рис. 72, а по- казам.. кривая напряжения па первичной обмотке однофазного траисфор-
матора электровоза; i — кривая тока в первичной обмотке трансформатора; кривая выпрямленного напряжения; id — кривая выпрямленного тока, е-4 среднее значение выпрямленного напряжения; Id— среднее значение выпрямленного тока; у — угол коммутации. Для удобства рассмотрения будем считать все указанные величины приведенными к первичной обмотке, т. е к напряжению в тяговой сети*. Уровень напряжения в тяговой сети нас интересует в первую очередь с точки зрения его влияния на скорость движения поездов, а последняя опре- деляется величиной выпрямленного напряжения иа клеммах преобразователя электровоза. Поэтому несмотря на то, что в тяговой сети протекает переменный ток, вызывающий определенное падение напряжения на ее активных н реак- тивных сопротивлениях, режим напряжения следует оценивать величиной потерь выпрямленного напряжения, под которой подразумевают долю выпрям- ленного напряжения, теряемого на активных и реактивных сопротивлениях тяговой сети. Потер и выпрямленного напряжения имеют достаточно сложную зависимость от параметров выпрямительного режима работы преобразователя электровоза (значения противо-з. д. с. в цепи постоянного тока, угла коммутации, величины активных и реактивных сопротивлений в цепях постоянного и переменного тока преобразователя). Поэтому для получения удобных для инженерных расче- тов формул, оценивающих потери выпрямленного напряжения, принимают ряд допущении, которые, не оказывая существенного влияния иа точность расчета, значительно его упрощают. Из курса «Электронные и ионные преобразователи» 196 [ известно, что ве- личина выпрямленного напряжения в преобразователе для абсолютно сглажен- ного тока (индуктивность в цепи постоянного тока преобразователя Xd — со) определяется выражением Ь'4= 6'40 — ~ 1<!т (а) где / ;т —выпрямленный ток электровоза в режиме тяги; Uао — выпрямленное напряжение холостого хода. Для однофазной двухполупериодной схемы выпрямления, применяемой на элект- 9 р'2 , ровозах переменного тока, 6'40 = — с-.; • U« — напряжение вторичной обмотки трансформатора электровоза в режиме холостого хода; А, Хтэ+У кс+Хт — индуктивное сопротивление цепи переменного тока преоб- разователя, включающее индуктивное сопротивление трансформатора электровоза, тяговой сети и тяговой подстанции. Входящие! в выражение (а) второй член определяет величину так назы- ваемых коммутационных потерь напряжения, определяемых процессом пере- хода выпрямленного тока из цепи одного анода в цепь другого и изменением в связи с этим электромагнитной энергии, связанной с индуктивностями цепи переменного тока преобразователя. Так как в действительности выпрямленный! ток является пульсирующим (Xd г/- сю), то в дополнение к коммутационным потерям выпрямленного напряжения добавляются потери, вызванные пульса- цией выпрямленного тока на шгеко.чм}ташюга|ой Как показали исследования, выполненные ВНИИЖТ для электровозов ВЛ60 и ВЛ80, пульсация тока незначительно изменяется с изменением нагруз- ки электровоза и поэтому дополнительная потеря выпрямленного напряжения, обусловленная пульсацией выпрямленного тока, может быть учтена введением в формулу для выпрямленного напряжения некоторого постоянного коэффи- циента А. ==1.13 [311- Тогда выражение (а) может быть записано в виде Ujo — (Хта-гХке4-Хг) 1^. (а ) <Дшгёс до стр. 105 написано К- И. Фоковым.
Следователе о. потеря выпрят— ужения, вызванная нндун- тивным сопротивлением тяговой сети, bUaxM = ^ке ^т’ ) Х'„= ilJ(«t=0.72X«c. (81) Рис, 73. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (6) для электровоза, работающего в режиме тяги. I—преобразовательный агрегат Актив,ю„ свет— активным сопротивлением тяговой сети, ет бэт тьь На рис 73> а лаиса мощности, подводи юи Р приведена схема замеще- ния электровоза в режи- ме тяги, на которой ак- тивное сопротивление цепи переменного тока /?! =Ктэ-Г Яке ч-Кт вы- несено во внешнюю цепь. Будем считать, что вся активная мощность пе- редается первой гармо- нической составляющей первичного тока 1\т- Тогда, в случае отсутствия активного сопротивления во внешней цепи, ба- ланс мощностей в соответствии с рис. 73, а представится в виде (сопротив- лением цепи выпрямлени го тока здесь н ниже будем пренебрегать) Ь'/^гоаф,., (В) где U — напряжение источника питания; ф1л| — угол сдвига фазы первой гармонической первичного тока от- носительно напряжения источника питания (см. рис. 73,6); Е — противо- э. д. с. двигателей электровоза. При наличии активного сопротивления в первичной цепи в связи со сни- жением напряжения на входе преобразователя до величины U',„ из-за падения напряжения на активном сопротивлении (см. рис. 73, 6) для поддержания в цепях преобразователя прежних значений тока нужно будет уменьшить зна- чение противо-э. д. с. двигателей электровоза до величины Er, и баланс мощ- ностей на входе преобразователя представится выражением Ь'т COS Idm. (г) Учтем, что UmfaU~ Ая&совф^ и, имея в виду малое отличие \™ИЧИ11а? угл,°? <Р,т и ч’,п” пРимемсозф1л1=со5ф1„|. Тогда, вычитая вы- ражение (г) из (в), получим Е ~ Е" = fe R,c“"ф’"- (л> ’ Что сР',днсе значение выпрямленного напряжения преобразова- ла СлгХя.^ “’° Р23110 °сличи,№ пропию-s. Л. С. U ЩПН постоянного вХям.™.™я™=Ж“" ,‘асп' в“Раже,"1я U) лргастшюяет собой потерю переменного т<жаатРТСН',Я' вь‘званн>',° активным сопротивлением в цени ХТ'>Г(1 _ COS-ф,, (е)
гаРМо,,ическая составляющая первичного тока связана с величиной действующего значения первичного тока соотношением ^lsn~ vlnt /т» ГДС Iт действующее значение первичного тока; v/fll — коэффициент искажения по теку. Обозначим отношение ~z — fc911)m — коэффициент эффективности кри- вой тока. Тогда выражение (е) может быть приведено к вид)' =УГад Йэфщ cos2 ф1т (/?T,4- Якс+ /?т) hrn‘ (ж) Выделяя из (ж) долю потерь напряжения, вызываемую активным со- противлением тяговой сети, получим — Vim кэфщ COS <J)Jc| /?кс Zrfm. (з) Как показали исследования, проведенные ВНИИЖТ [31], значения коэф- фициентов, входящих в (з), изменяются в зависимости от режима работы пре- образователя, его нагрузки, величины сопротивлений в цепях преобразовате- ля. Для практических расчетов можно принять v?„ СОЗ2 ф1т=0,47. Тогда ЛЬ'</йкс=0,47 7?кс /dm—7?вс 1ат, где ^kc=vL Л;фга cos2 Явс=0,47 /?кс. (81') Полное значение потерь выпрямленного напряжения, вызванное в актив- ном и реактивном сопротивлениях тяговой cent током электровоза в режиме тяги, определится выражением At'dKcm=A^'rfXBC+A^'<fRKC = = XA'wz+vjm cos2 ф1д, /?Kcj 4/и=(0,72 Хкс+0,47 RKC) Idm. (и) Величина (072XKe+0.47ft«J=4« называется эквивалентным првве- дсчшым сопротивлением тяговой сети. Верхний индекс «штрих» означает, что сопротивление, отнесено к выпрямленному напряжению. Переходя к сопротивлениям на единицу длины, получим z' = x'-f-fa — 0,72 х 4- 0,47 га ом/ км. (82) Таким образом, эквивалентное приведенное сопротивление дает возмож- ность оценить влияние сопротивления тяговой сети на величину потерь вы- прямленного напряжения. Дли одного пути двухпутного участка при раздельном шмашш путей получим 2\=0,72х!+0,47 rJt (82’) где г! и л-! берутся из табл. 13. Кг' =-0,72 Дх+0,47 Кг, (82я) где Кг к Кх можно взять из табл. 11. Значения г\ и Кг’ для различных подвесок даны в табл. 14 [134]. 101
Таблица 14 Тип подвески г, в ом/км Дг' в оя/км г\-^Всм]км С-50-[-МФ-100 ПБСМ-95 f-МФ-100 М-95-[-МФ 100 М-120-[-МФ-100 0.529 0,420 0,366 0,360 0,396 0,287 0.231 0,226 0,133 0,133 0,135 0,134 В табл. 14 приведена также величина (?[-—Az'). Нетрудно видеть, что в расчетах всегда можно принимать Zi — Az'—0,134 см/км. Особенности определения эквивалентного приведенного сопротивления и потерь напряжения в тяговой сети с учетом электровозов переменного тока, работающих в режиме рекуперации. Методы расчета системы энергоснабже- ния для линий переменного тока в режиме рекуперации пока еще недостаточно разработаны. Здесь приводятся некоторые основные соображения по расчету потерь напряжения при рекуперации. Полученные выше выражения для определения потерь выпрямленного на- пряжения в тяговой сети относятся к отучаю работы на фидерной зоне электро- возов только в тяговом режиме. Выпрямительные электровозы переменного то- ка, работающие в режиме рекуперативного торможения, оказывают на режим напряжения в тяговой сети иное влияние во сравнению с электровозами по- стоянного тока. Рекуперирующий электровоз постоянного тока всегда повышает уровень напряжения в контактной сета, так как передача мощности от рекуперирующего электровоза возможна только при увеличении напряжения на его токоприем- нике. Во время осуществления рекуперативного торможения на выпрямитель- ном электровозе переменного тока его преобразователь работает в режиме однофазного зависимого инвертора, отдавая в сеть активную мощность (что способствует увеличению уровня напряжения в тяговой сети) и потребляя из сети реактивную мощность (что способствует снижению уровня напряжения в тяговой сети). Коммутационные процессы в инверторном режиме преобразователя ана- логичны его работе в выпрямительном режиме. А так как индуктивная состав- ляющая потерь выпрямленного напряжения в основном определяется коммута- ционными потерями [см. (а), (б)), то индуктивная составляющая потерь выпрям- ленного напряжения для электровоза, работающего в режиме рекуперации, может быть определена аналогично тяговому режиму из выражения (б). Для определения потерь выпрямленного напряжения у рекуперирующего электро- воза, вызванных наличием активных сопротивлений в тяговой сети, восполь- =«е. 74’ ° И 6 Проведя рассуждения аналогично изложенному выше, V?. СОЗ2 ч>к R„ (к) (Т”Га) 3aMe““ ,шдакс™ с (генерирование, т. е. рекупера- цня). Для рекуперативного режима полная потеря выпрямленного кяппяже- ния с учетом активной (к) и реактивной (б) сос^вляющей дл^ эчектаоХч работающего в режиме рекуяепаппи ГУППР ПР ПвигАе, п. ............- Р ДЬ^ксг = А*зфг cos5 работало в ^уп^ш. ™реХл^Яр=нГ Л»=<Р,72ХКС —0,31 Я,.)/,,,, (83) 102 2’=х'--rL «=0,72 х—0,31 го ом/км (83')
Из выражения (83) и из рис. 74. б следует, как это уже отмечалось ра- цее, что активная составляющая потерь напряжения от тока рекуперирую- щего электровоза уменьшает общую величину потерь выпрямленного напря- жения в тяговой сети. ляи'рскулерарующего электровоза; в—кри- о .. в-мемп замещении “ токоприемнике электровоза в режиме тяг.. Vm и вые .«.прпжеш'Я ясгочинкп 1Ш«п ня п гич,пСр,фу10в1его электровоза, с к выпрямленного C/rfn, при виигппмма для совместно рабРгоющях электровозов и й_„™ —XTJSSSS? w» „ „„«.жиши ка фидерной зове электровозов, работающих в тяговом При рааюложешт »а Р “ ^яод„мо 3,|ать уровень напряжения на токо- п рекуперативном режима*. от иел1|Ч|11|Ы этого напряжения будет приемнике тя^по^Л(сксюость‘Движения рекуперирующих локомотивов будет т^жаняя).
Моменты коммутации у тягового и рекуперирующего электровозов по Моменты комм) тации > коммутационного участка, свя- времени не совпадают возникновение пекгпепаним имчы итого с появлением электровоз», рзботающего в режше паст снижение величины выпрямляшогонапряжешикеятяговогоэмкфотгаа на величину реактивных потерь напряжения в тяговой сети от тока рекупери- StXro Хкт1о»оза. На ргс. 74, « KoMMj-mu.ooный период I па электро- возе в режиме тяги начинается с запаздыванием па угол от начала отсчета и имеет длительность, соответствующую углу у». При этом ток в тяговой сети возрастает (поскольку вторичная обмотка трансформатора электровоза оказывается замкнутой через коммутирующие вентили) и напряжение па токо- приемнике этого электровоза Ь'щ снижается, а выпрямленное напряжение в этот период Udm=0‘ Коммутационным период 11 на рекуперирующем элект- ровозе запаздывает па угол 4'г и соответствует углу При этом снижает- ся напряжение на токоприемнике Um и вследствие этого выпрямленное нап- ряжение L'dm на электровозе в режиме тяги. Учитывая одинаковый характер коммутационных процессов для обоих рассматриваемых режимов, в соответствии с выражением (б) найдем потерю выпрямленного напряжения, вызванную в индуктивном сопротивлении тяговой сети Хкс токами тягового н рекуперирующего электровозов, АЦи„ = | = 0,72 Л,„ (1 +ь.) (л) где /(/ст, /^.—соответственнотоки тягового и рекуперирующего электровозов, а ‘dm Для определения потерь выпрямленного напряжения, вызванных актив- ным сопротивлением тяговой сети, обратимся к рис. 74, на котором приведена схема замещения преобразователей электровозов, работающих в режиме тяги и рекуперации (см. рис. 74, г), с вынесенными во внешнюю цепь активными со- противлениями, и векторная диаграмма для определения напряжения иа токо- приемнике электровоза в режиме тяги (см. рис. 74, д). Баланс мощностей на токоприемнике этого электровоза при отсутствии и наличии в первичной цепи активного сопротивления /?,£С запишется в виде: 4m = l?/lmCOS(Plm I (Я) „ (О) Из рис. 74, д следует, что 14=1/ — /1т/?м cos q>lm -i-/M /?кс cos (180°— фй). эти?1услов^й,%олучим°8ф|'л = C0S ф1т'Вь|ЧНТая из (и) выражение (о) с учетом -£д.=Л6Хс = Ц,сcos’<p,„ _ W. Ski Ю5ф|п cos (180»_ф, j. Учтем также, что rim=v/m/m, i у Г hr Ьп «*ф"1 'dm. 11Г = К3ф0 1ае. учим cos’ ф1л Ккс _ ~ Ъ. V,. к.л„ *>ф, ctls ф1я cos (18С|О _ф („) Тогда 104
(р) значений получается *' FMecT0 ““ЭДЯЦЖХ в (л) коэффициентов их числовых Лг=0.47 Л',,. 7d„ — о,38 f>KC = рл? _038 к( Полюс значение потерь выпрямленного напряжении в тяговой сети по Н С yWI°M “ P^,„„„irc^SUj; для случая нахождения на фидерным зоне как тяговых, так и рекупеонпую- щих электровозов может быть представлено в ваде рекуперирую A£7rfKC-“At'^Kc+AtXe=l0>72(I+^)XKc+(0,47 - 0,38*e)flM] Iam. (83~) Анализ выражения (83) показывает, что появление рекуперирующих электровозов вызывает увеличение рекктивной составляющей потери выпрям- ленного напряжения и уменьшение активной ее составляющей. В связи с тем, что индуктивное сопротивление тяговой сети больше, чем ее активное сопро- тивление, напряжение на токоприемнике электровоза в тяговом режиме с появлением рекуперирующего электровоза будет снижаться. Анализ выведенных формул. В качестве основной, т. е. наиболее общей для определения сопротивления тяговой сети, выше была предложена фор- мула (63). При выводе этой формулы были приняты некоторые допущения, ко- торые ограничивают пределы пользования ею. Пренебрежение этим обстоя- тельством может повести к ошибкам. Дело в том, что принятые выше формулы для определения коэффициентов самоиндукции L (56') и взаимной индукции М (55') выведены в предположении участка бесконечно большой длины. При таком условии ток, наведенный в рельсах (в контуре рельсы — земля), прини- мается постоянным по всей длине. В действительности на концах участка должно иметь место некоторое из- менение (затухание) наведенного тока (он должен увеличиваться от концов к середине). Естественно, что влияние затухания при бесконечно большой длине участка сводится к нулю и выражения для L и М становятся точными. Практи- чески при достаточно большом расстоянии I от подстанции до нагрузки (пример- но 20—30 /си) влияние затухания тока на концах участка незначительно и им можно пренебречь, что позволяет пользоваться указанными формулами для L и М. Однако по мере уменьшения этого расстояния должны изменяться и вели- чины Lu М. Действительно, при малом расстоянии от подстанции до нагрузки влияние затухания станет столь значительным, что наведенный ток практичес- ки даже в середине участка не достигнет того значения, которое он получает при / == оо. С уменьшением / весь ток в рельсах должен стремиться стать рав- ным по величине току в проводах контактной сети и обратным по фазе. В таком случае примененные выше выражения для коэффициентов L и М уже не соот- ветствуют условиям задачи И должны быть заменены выражениями, выведен- ными для двухпроводной линии, изолированной от земли. В противном случае на ток в рельсах который почти равен всему рабочему току, из-за неточности Расчета будет наложен ток, вызванный в контуре рельсы — земля. Иначе говоря ток в рельсах получится больше, чем ток в контактной подвеске, а это даст расчетное значение падения напряжения в рельсах больше действи- тельного. Необходимо отметить. что для крайнего случая, т. е. когда I = 0. этой ошибки не получится, так как составляющие, зависящие от проводимости зем- ли. взаимно уничтожаются. Дсйстшггелыю, как било пгжазапо. если перейти от общего случая т. е. от формулы (63) к тем. когда I =С п I = оо, то полное сопротивление тяговой сети окажется в пределах, определяемых формулами (63’) и (63"). JCS
Очевидно, первое иыражешк (формула (63'>1 - весь тяговый ток идет по рельсу (т е. при z„= ~),» эторое WW ' 2' »лгг*я тяговая составляющая тока в рельсах равна нулю (т. е. при zn — uj. ^Исходя из изложенного, нетрудно прийти к выводу, что мы можем доста- точно точно установить ио формулам (63') и (63") пределы, в которых нзме- "”еткак'™“зыпвют исследования (14). действительная часть комплекса со- противления (активное сопротивление) тяговой сети уменьшается с увелнче- нием проводимости земли. При этом уменьшается и мнимая часть (яндуктав- "юо соп'^пште.шс). Эго можно объяснить тем. что ширина петли, а сзедова- тельло, и ее индуктивность уменьшаются при увеличении проводимости земли. Практически, однако, изменение сопротивления земли в фактических пределах не влияет на величину сопротивления тяговой сети. За последний период опубликован ряд работ, в которыхданы числовые значения сопротивления тяговой сети переменного тока 17, 14, 1У, оо, 121, 1261 Во всех этих работах в итоге приходят к тем же двум предельным формулам (63') и (63я). В последних работах 17, 19,121, 126] приведены числовые значе- ния сопротивлений, которые рекомендуется применять в расчетах. Полученные результаты различаются в зависимости оттого, какой предель- ной формулой пользуются и какие исходные данные в них подставляют. При прочих равных условиях сопротивления, подсчитанные по формуле (63') (весь тяговый ток в рельсах), больше сопротивлений, подсчитанных по формуле (63я) (в рельсах только индуктированный ток, весь тяговый ток идет по земле), для активной части не более чем па 30% и для индуктивной части не более чем на 15% Такие исходные данные, как проводимость перехода рельсы — земля, расчетный ток в рельсах, сопротивление земли (этот фактор практически игра- ет незначительную роль) разными авторами берутся несколько различающи- мися. Однако предлагаемые для расчетов цифры различаются для активной части сопротивления не более как на I % ив индуктивной составля й дают разницу около 5% (обычно меньше и редко больше). Поэтому имеет смысл обсуждать только рекомендации к пользованию формулами (63') и (63я). Ясно, что истинное значение сопротивления всегда будет в промежутке между результатами, даваемыми этими формулами, и в зависимости от ряда исходных условий и характера определяемой величи- ны будет приближаться к той или другой границе. Рассмотрим исходные условия. Первое и основное в этом случае — это величина переходного сопротивления рельсы — земля. Известно, что в лет- нее время, особенно в период дождей или в сыром месте, это сопротивление пада- ет до очень незначительных величин. С другой стороны, в литературе можно найти упоминания о том, что зимой при промерзшей земле сопротивление пе- рехода очень велико и в расчетах может приниматься равным бесконечности. Если же, как это имело место при испытаниях, приведенных ВНИИЖТ [1261, рельсы на всем протяжении наглухо присоединены к железобетонным опорам, основание которых лежит много ниже глубины промерзания, кроме того, рельсы еще присоединены к контуру заземления тяговой подстанции то, ко- нечно, в таких условиях промереание грунта не играет существенной роли. Далее, большое значение имеет расстояние от подстанции до нагрузки. Чем ближе нагрузка к подстанции, тем большая часть тягового тока остается в рельсах и тем меньше наведенная часть, т. е. расчет по формуле (63') даст более точные результаты. С удалением нагрузки на 2 4 к« и более от под- станции (для летних условий) большую точность дает формула (63'1 " рас"ет К1,торш ,ад,г| переходное СОЛРОТ1ШЛОШ1С р " Расстм1'1иедо нагрузки. К этим величинам следует отнести-. IJ потерн напряжения в тяговой сети; 2) потери энергии в тяговой сети; 3) уравнительные токи между подстанциями (транзит мощности! 4) наведенные 3. д. с. в смежных линиях; К мощности), 5) токи при удаленном коротком замыкании. 106
Практически во всех случаях увеличение первых четырех из перечислен- ных величин нежелательно и, наоборот, желательно увеличение последней. Если принять Хщ = оо (весь ток в рельсах), то потери напряжения и потери энергии увеличатся, т. ,е. будут обычно больше действительных, уравнитель- ные же токи (и транзит мощности до контактной сети), э. д. с., наведенные в смежных линиях, н токи коротких замыканий уменьшатся. Следовательно, предположение гп — оо приведет к запасу в расчетах первых двух и последней из приведенных величин и в противоположную сторону отразится на третьей и четвертой величинах. Предположение, что z„ — О, дает обратный результат. Исходя из изложенного, представляется целесообразным впредь до установ- ления четких требований специальными техническими условиями исходить из следующих положений при определении сопротивления тяговой сети. Расчет потерь напряжения и энергии в тяговой сети. Если размеры энергопотребления на тягу поездов зимой я летом одинаковы, то при сопоставлении уровня напряжения с нормами минимального напряжения следует веста расчет, принимая z„ = <ю (т. е. по формуле (63’) 1, если, конечно, нет достаточной уверенности в хорошем заземлении рельсов (через фундаменты опор и контур заземления подстанции). Если размеры энергопотребления зимой ниже, чем летом, то надо опре- делять сопротивления для зимнего и летнего периодов. Поскольку наибольшие потери напряжения и энергии имеют место при наибольшем скоплении нагру- зок и на участках, близко расположенных к подстанциям, т. е. там, где большая часть тока идет по рельсам, то истинное решение будет при сопротивлениях, лежащих в середине .между получаемыми по формулам (63') и (63"). Очевидно, в этом случае целесообразно пользоваться их средним значением. Это относится и к расчетам потерь энергии. Расчет по гп = О приведет к занижению расчетных потерь и к неверной сценке причин отклонения результатов эксплуатации от расчетных данных. Таблица 15 4- / х в ом/км х‘ в он] км £ Тмя подвески С-70 + МФ-85 . . - - С-70 + МФ-100 . . . ПБСМ-70-:’- МФ-85 . ПБСМ-70 +МФ-100 . ЛЕСМ-95 +МФ-85 . ЛБСМ-95 +МФ-100 . М-95 + МФ-100 . . M-I20-J-МФ-100 . . при г„ при zn “ О среднее анече I зиачс- P43 P50 P65 P43 P50 P65 P43 P50 P65 P43 P50 P65 P43 P50 P65 P43 P50 0,28 + / 0.5410,21+/ 0, P55 л «MS । .- n ro!ci on j_ , n P43 P50 P65 P43 О'ЗЗ-J-J О’Т2О,26- 0.324-/ 0,710.244-1 0.600.284-/ 0,65 0,30 + 1 0.70’0,23 4 1 0,590.26+1 0,64 0,28+1 0,6910.22+1 0,580.25+/ 0,63 0,33+1 0,590,25 +1 0,48 0,29+/ 0,54 z. 1 - л eolCi n l i f» А71Л 07-t- .ARI 0.294 / 0’560,234-1 0,46 0.26 4-/ 0,51 0 32 +j 0,580.24 +/ 0,470,28 + / 0.53 0’304-/ 0,57 0.234-1 0,460,27-)-/ 0.52 0,28т 1 0,65 0.22 4-1 0.45:0,26-)-1 0,50 0,31 т/ 0,560,23 4-1 0,450.27-)- / 0,51 пй л ЛЛС1 nc . . Cl СЛ 0,68э| 0,573* 0,63 0,674 0.562 0,61 0.660 0.544 0,60 0.640 0,533 0.58 0,628 0.520 0.57 0,579 0,464 0.53 0.304-1 0,550.224-1 0,440,26-)-/ 0,50 z, » c.ln Qi . . 0,43 0,25 4-/ 0.49 0;26+/ 0,5210’20+/ 0,420.23-J- / 0,47 Р65 0*20-г/ 0*5116,14 + / 0.400,17-)-/ 0.45 0,23 +1 0,51 0,15 +/ 0,4010,19 + / 0,46 0.21 +1 0.500,14+ / 0.39|0,|74- j 0,45 0,194-/ 0,49'0.134-/ 0,3810,16-f-/ 0,43 0.540 0.439 0,49 0,567 0,450 0,51 0.550 0.439 0 50 0,527 0,428 0,48 0.549 0,433 0.49 0,532 0,421) 0,48 0,516 0,409 0,47 0.536 0,420 0,48 0,520 0,409 0,47 0,497 0,396 0,45 0,49-11 0,377 0,44 0,478 0,366 0,42 0,475 0,359 0.42 0,459 0,347 0,40 0,443] 0,335] 0,38 107
Уравнительные токи и транзит мощности, если они рассчитываются, например, для определения перегрузки подстанции, очевид- но, надо считать по максимально неблагоприятным условиям, т. е. исходя из предположения z„ = 0. То же целиком относится и к определению наведенных э. д. с в смежных ливнях (тем более, что здесь затрагиваются и вопросы безопас- ности). Расчет токов при удаленных коротких замы- каниях (см. главу X). Представляется, что если иет уверенности в на- дежно?,! заземлении рельсов (как и при расчете потерь напряжения), то расчет следует вести исходя из условия z„ = оо, т. е. по формуле (63')- Исходя из изложенных соображений, мы приводим уже опубликованные I 191 наиболее полные данные сопротивлений тяговой сети при переменном токе (табл. 15 — для однопутного участка и табл. 16 — для двухпутного с парал- лельным соединением путей). Втабл. 15 я 16 даны сопротивления при zn со, z„ = 0 и среднее между ними. Даны также сопротивления г', соответствующие условиям работы при выпрямительных электровозах. Для двухпутных участков при раздельном питании путей подобные данные приведены выше, а более полно в литературе (191. Тип подвески i гв = го-г/ JC в omJkm г' в ом/км пра ’и - °° | "Р" «п = 0 | среднее зпаче- -n =co гп = 0 Сзпэтс-С С-70 4- МФ-85 Р-13 0,18-1-/0,39 0,15- -г 0,350.174 0,366 0,323 0,35 PS0 0,174-/ 0,38 0,14- -/ 0,34 0.16+/ 0,36 0,354 0.8H 0,33 Р65 0.16+ / 0,370.14- - / 0,33-0,15 - /0.35 0,342 0,303 0,32 С-70 + МФ-100 . . . Р43 0.16 + / 0,380,134-/ 0,34 0,15- I 0,36 0,349 0,306 0,33 PSO 0.154-/ 0,370,12 + / 0,34 0,14- - i 0,35 0,336 0,301 0.32 Р65 0,14 4- / 0.360,12 +1 0,330,13+/ 0.34 0,326 0,29г 0,31 ПБСМ-70-|-МФ-85 . Р43 0,17-М 0,330,14- i 0.280,154 i 0.30* 0,817 0.268 0,29 PSO 0,16-р / 0,310,13 + / 0.280.14+ г 0,29 0,299 0,263 0.28 Р65 U, 15- -/ 0,300,13- -/ 0,270,14- - / 0,28 0,287 0,255 0.27 ПБСМ-70 + МФ-100 . Р43 0,16- / 0.310.13-1-1 0,270,15-J / 0,29 0.299 0,255 0,28 Р50 0,15- -/ 0,300,12- -j 0,270,14- - f 0,28 0,287 0,250 0.27 ПБСМ-95 4-МФ-85 . Р65 и.14 + /0,230,12 + / 0,200,13 + / 0,27 0,276 0,244 0.26 Р43 0.15+/0,300.12- j 0,200.14- / 0.28 0,287 0,244 0,27 PSO 0.14 + / 0,290,11 0.13 + / 0,280,11 - j 0,260.13+ i 0.27 0,276 0.240 0.25 ПБСМ-95 4-МФ 100 . Р65 -i 0.250,12- L/ 0.26 0,263 0.232 0,24 Р43 0,15 + / 0,300.12- j 0,26*0.14- - i 0.28 0,287 0,244 0.27 Р50 U.14 + / 0,230,11 +/ 0.260.13 + i 0.27 0,276 0,240 0.25 М-95-гМФ-100 . . . и, 13- / 0,280,11 - I 0,25 0,12- -j 0.26 0,263 0,232 0,24 Р43 0,12 1 0,290.09- i 0.25J0.11 - -j 0,27 0.266 0,222 0,25 Р50 0.11 - 0,10- j 0,28|0.08 -/ 0,250.10- -/ 0.26 0.254 0,218 0,23 М-1204-МФ-100 . . Р65 / 0,27 0.07- -1 0,24 0,09 - - i 0.25 0,241 0,205 0,22 Р43 Р50 Р65 0,11- 0,10- 0,09- hi 0.280.08+ j 0,24 0,10 + / 0.26 - / 0,270.07+ / 0.24 0,09 -f- / 0,25 ) 0,26’0,07 + / 0.23,0,08 + / 0>4 0,254 0,241 0,2301 0.210 0,205 0.199 0,24 0.23 0 21
Г лава III РЕЖИМ НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ § 12. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Электрические локомотивы, как уже указывалось выше, получают энер- гию от электрических станций через линии передачи, районные трансформатор- ные подстанции н затем через тяговые подстанции и тяговую сеть. Все эти устройства являются звеньями одной и той же цепи, и поэтому изменение нагрузки одного из потребителей вызывает изменение падения напряжения во всех элементах этой системы. Изменение же нагрузки у большого числа потребителей происходит почти в течение всего времени их работы. Таким обра- зом, и при нормальной схеме и нормальных условиях работы у любого потреби- теля напряжение не может оставаться постоянным. В наибольшей степени это относится к электрическим локомотивам, так как потребляемая ими мощность ко- леблется в зависимости от условий профиля и режима ведения поезда в широких пределах. Кроме того, изменяется местоположение поезда относительно подстан- ции, н, наконец, изменяется число поездов в фидерных и подстанционных зонах. При всяких же вынужденных режимах, отличных от нормальных, когда нару- шается нормальная схема питания, напряжение у потребителя может подвер- гаться наиболее значительным изменениям Известно, что каждый потребитель проектируется на определенное напря- жение, называемое номинальным, а работает в действительности все время при различных уровнях напряжения. Работа при напряжениях, отличных от ломннвльных, ведет при прочих равных условиях к некоторым затратам. От системы энергоснабжения электрических железных дорог питаются не только электрические локомотивы, но и районные, и нетяговые железнодорож- ные потребители. Понижение и повышение напряжения п здесь приводят к нежелательным последствиям. Так, понижение напряжения на лампах нака- ливания ведет к резкому уменьшению силы света и, как следствие, может при- вести к понижению производительности труда и повышению травматизма. По- вышение напряжения хотя и увеличивает силу света, но быстро выводит из строя лампы. Трехфазный асинхронный двигатель, т. е. основной двигатель в промышленности, при понижении напряжения практически не уменьшает числа оборотов (т. е. производительность не падает), но перегружается током, перегревается и срок службы его резко сокращается. При повышении же напряжения он начинает брать значительно больший намагничивающий ток, расходует реактивную мощность и также может перегреться. На электрических локомотивах постоянного и переменного тока от уровня напряжения в первую очередь зависит скорость движения (ниже мы на этом остановимся подробнее), т.е. витого производительность всего сложного же- лезнодорожного хозяйства. Более того, поскольку различные подразделения транспорта находятся в тесной связи друг с другом, эффективная деятельность их может быть достигнута только при тщательной координации их работы. Эта координация осуществляется на транспорте с помощью графика движения, опре- деляющего времена хода поездов, оборот локомотивов, работу станций и т. п. Поэтому исключительное внимание на железнодорожном транспорте уделяется вопросам обеспечения выполнения графика движения. Отметим, что в понятие Ю9
выполнения графика Движения закладвается 6о.да ™ W просто рабой ежедаешю точно го .иному “ ™Уматр, РаР ,ы^ „„ранее коиЛХ^Лмжш сдержи X развитие движения передовиков произ- SSa ?т п CtoSTro всех нуяаях основное требование к онегемеэиерго- сиабжепия (см. § 1). шт. точнее говоря, к гоал,?™ сети, сводится к тому, чтобы времена хода поездов, заложенные в график дни- жрппя могли бы быть выполнены. ТиХе рас“еты, которые „осуществу определяют все основные условия работы ЛОКОмХива в участка, при проектировании выполняют для постоя,.во- го напряжения, равиогономинальаому.е.таовательно, условия работы локомо- тивов и времена их хода в действительности могут отличаться от полученных из тяговых расчетов. Во всех случаях, выполняя тяговые расчеты для номинального на- пряжения и устанавливая времена хода поездов, допускают возможность по- нижения напряжения на отдельных участках следования поезда (наиболее уда- ленных от подстанции) с тем, однако, чтобы напряжение на других было выше и потеря времени хода на одной части участка так компенсировалась бы выигры- шем на другой, чтобы общее время хода оказалось выдержанным. В § 1 было- уже отмечено, что такая постановка вопроса не распространяется на исключи- тельно тяжелые сочетания поездов, если такие сочетания могут возникать весьма редко. Конечно, последнее положение страдает некоторой неопределен- ностью. В самом деле, какие именно сочетания я расположения поездов считать «достаточно редкими»? Возникает естественное опасение, как бы выбранные проектировщиком исходные расчетные схемы, а следовательно, и параметры системы энергоснабжения (а отсюда и затраты) не оказались бы в зависимости от индивидуальности его подхода. Исключить эту неопределенность можно, лишь прибегнув к помощи математической статистики л теории вероятностей. На основе широких статистических исследований иа действующих электри- фицированных участках с последующей обработкой результатов строго мате- матическими методами математической статистики и теории вероятностей ну жно определить повторяемость тех пли иных редких тяжелых сочетаний поездов, затем подсчитать экономические потери от необеспеченности таких режимов- номннальным напряжением. Сопоставление полученных расходов с расходами, связанными с повышением уровня напряжения, определит целесообразность- или нецелесообразность мер по повышению напряжения. До выполнения таких широких статистических исследований (подобно то- му как это делается в других областях техники при решении вопросов надеж- ности) можно установить допустимый процент (может быть даже доли процента) поездов (как раз тех, которые попадут в тяжелые, но весьма редко повторяю- щиеся условия работы), для которых не будет обеспечиваться номинальное среднем (или выше неге) напряжение. Выбранные при таком подходе пара- дап^нияТеМЬ' Э,,ерГ0СПабжения обеспечат работу по нормальному графику m6™„T‘7P“‘ СЛу,аЯХ За 6ьстрь,м pocInu ofel!M перевозок не поспевают работы по усилению системы энергоснабжения. Тогда конечно напряжение па токоприемниках поездов может оказаться „„же n±S„ZnlS B==S=S*===: япх поездов „ какую потерю в скорости будет шпеть* J ппп ,Т1’’ КаКа" ЧаСТЬ «с ram поездов это может произойти Тогда' либо такой '«“'МО Скопле щен временю да усиления системы энергоаХаи/^ "/ ' буДСТ J ииыьиые „еры „о „збежа,,„е указанных с„о„5й ™±"WT ”Р',"Я™ Некоторая неопределенность остается в пост-т.г^г,^ °' потеря времен,, „а одной чает,, пути может 6biT?^Sro' Е01,роса ° том- ’1“ Важно знать, на какой же длине времена скомпепсиромна „а другом, движет™. В первом приближении ,.юж„о nSSTlM„“°™™г№г.!т, графику ] ю юити По пУти обеспечения напряжс-
В тяговь,й Расчет. в среднем на фидерной зоне. Конечно, обеспечив время хода по каждой фидерной зоне, мы обеспечим его и для всего участка в целом. Но зато мы теряем возможность компенсировать понижение напряжения на одной фидерной зоне повышением его на другой, что особенно интересно при фидерных зонах небольшой длины. Упомянутая компенсация может оказаться возможной за счет различных условий работы на смежных фидерных зонах. В руках проектировщика имеются средства, позволяющие в известной мере ограничить изменения напряжения в тяговой сети. Это может быть достигнуто увеличением мощности отдельных элементов системы энергоснабже- ния или применением специвльных средств (разбору которых ниже будет уделе- но внимание), позволяющих поддерживать напряжение на необходимом уров- не. Однако как та, так и другая меры связаны с известными затратами, и поэто- му правильный подход к их выбору возможен только на основе технико-эко- номического сравнения. Особое место занимает работа электрифицированных участков в вынужден- ных режимах, т. е. при нарушениях нормальной работы системы энергоснабже- ния. Наиболее типичным случаем таких режимов является выход из строя од- ной подстанции (а в некоторых случаях и двух смежных подстанций). В этих условиях электролодвижной состав может оказаться вынужденным работать при сильно пониженном напряжении. Здесь основную роль играет обеспечение надежной работы оборудования подвижного состава. В вынужденных режимах приходится либо сокращать размеры движения, либо заранее усиливать систе- му энергоснабжения, либо делать то и другое одновременно. Прежде чем ре- шать вопрос о необходимой степени усиления системы энергоснабжения, сле- дует иметь совершенно ясное представление о тех последствиях, к которым ве- дет изменение напряжения у электрических локомотивов в подобных условиях. Изменение напряжения можно характеризовать согласно ПУЭ 121 откло- нениями и колебаниями напряжения. В нашем случае под отклонением на- пряжения будем понимать изменения напряжения такой длительности, кото- рые приводит к изменению скорости движения поездов. Численно отклонение напряжения будет представлять собой разность между действительным напря- жением на зажимах потребителей и их номинальным напряжением. Если дей- ствительное напряжение выше номинального, то отклонение положительно и иа- обпрот. Под колебаниями напряжения по существу подразумевают те же от- клонения напряжения, но протекающие в столь короткие промежутки времени, что скорость поезда измениться не успевает. Уровень н стабильность напряжения у потребителя являются одними из главнейших характеристик качества электрической энергии. Последнее, кроме того, оценивается еще и рядом других показателей: несимметрией напряжения, искажением формы кривой напряжения, отклонением частоты от стандартной. При электрификации железных дорог на постоянном токе при- ходится встречаться с высшими гармоническими составляющими тока и напря- жения в первичной и тяговой сетях. При электрификации железных дорог на однофазном токе с применением выпрямительных электровозов величины от- клонений и колебаний напряжения также не определяют полностью режимов работы приемников электрической энергии и самих электрических систем. По- являются токи и напряжения о(5рлтиоЛ последовательности, высшие гармоники, а также субгармоиики токов и напряжений. Таким образом, разбирая вопрос о режиме напряжения, мы касаемся широкой проблемы качества электрпче ской энергии. Эта проблема включает в себя ряд важнейших вопросов, над которыми работают отечественные и зарубежные энергетики, таких, как: показатели качества напряжения; ущерб, наносимый различным отраслям на- родного хозяйства от недостаточного качества напряжения; режимные принципы регулирования напряжения; методы расчета нанвыгоднейшнх режимов работы электрических сетей и т. д. Проблеме качества напряжения в настоящее время уделяется большое внимание [20] в связи с важностыо ее для народного хозяй- ства страны. ill
§ 13. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛОКОМОТИВОВ 1 Изменение напряжения различно влияет на работу локомотивов постоян- ного н однофазного тока. Различие заключается в том, что на электровозах однофазного тока имеется возможность регулировать напряжение, подводимое к двигателям, с помощью электровозного трансформатора. Кроме того, вспомо- гательные цепи электровозов переменного тока в принципе отличаются от со- ответствующих цепей электровозов постоянного тока. Здесь мы рассмотрим влияние изменения напряжения на скорость и силу тяги электровоза, а также на температуру обмоток тяговых двигателе!'! и ус- ловия работы вспомогательных цепей. Начнем с отклонений напряжения у электровозов постоянного тока. Что касается локомотивов однофазного тока, то их работоспособность при измене- нии напряжения рассмотрим ниже, а их особенности, связанные с возможностью регулирования напряжения электровозным трансформатором, удобнее рассмот- реть в следующем параграфе. Рассматривая локомотивы, оборудованные двигателями последовательного возбуждения, напомним, что установившаяся скорость вращения ввла двига- теля этого типа определяется из выражения (а) сФ где U — напряжение на зажимах двигателя; I — ток (нагрузка) двигателя; R — сопротивление обмоток двигателя; с — постоянный коэффициент для данного типа двигателя; Ф — магнитный поток двигателя. При одной и той же нагрузке /, но при различных значениях подведенного к двигателю напряжения отношение установившихся скоростей, очевидно, будет равно отношению электродвижущих сил (так как магнитный поток опре- деляется величиной тока нагрузки), т. е. (б) v, UZ—IR' где v, к скорости, соответствующие напряжениям L\ » v5. Учитывая относительно небольшую величину падения напряжения в А гателе нз-за малого сопротивления обмоток его2, можем написать (в) iEl ^’а Таким образом, установившиеся скорости вращения вала двигателя приб- лизительно прямо пропорциональны подводимому напряжению. Сила тяги, как известно, практически может быть представлена вы- ражением F = с, К>, где I и Ф —соответственно ток и магнитный поток двигателя. Из этого выражения видно, что сила тяги не зависит от напряжения на за' жимах двигателей. При пуске в ход электровоза, т. е. при одном из наиболее тяжелых режимов работы двигателей, когда от них требуется обычно наибольший момент, на за- жимы каждого из них подается сильно пониженное напряжение, для чего спе- циально вклютаются пусковые реостаты. Так, если двигатель элскТР0?038 рассчитан на нормальную работу при 1500 в, то при пуске к нему в первый №' 1 § 13 написан автором совместно с В А. Кисляковым * Для тягового двигателя НБ-406 при /так = 510 а. Ц = О 152 ом, (/Д),пзх 7В 112
мент времени подводится около 100 в т е клп япп мотива при их последовать™ fi “авсе двигатели локо- уровня напряжения к ™Л^гЬ,,°М соел*,не,ши- Это значительно шоке того Е ЗХ™ СТаВСЙ “™'с ч™™ ногречаться в ус- тягошхлвй™отнапряжедаяТш11 ,,окамт'-аав"с""ость Условий пуска сти паботы члоктпиирЛЛ- „ Жен я 11 ни в какои меРе не говорят о возможно- ниях ттк как X *=Х ЛОКОМОТ11ВОВ при чрезмфно пониженных иапряже- мое уменьшение скп/Лт»* Нап₽яжениях получается практически недопустим зависит от повепрн»? J К₽Оме того’ Р360™ локомотивов в большой мере жен™ТХХе™огательных машин, на которые изменения напрРя- „ понижением скорости движения локомотива несколько уменьшается со- противление движению. Соответственно уменьшается требуемый от тяговых двигателей момент, а следовательно, Рис. 75. Характеристики тягового двига- теля постоянного тока с последовательным возбуждением уменьшается и ток двигателя. Эго уменьшение часто не учитывается, но важно отметить, что с понижением на- пряжения ток тяговых дви ей не растет, а уменьшается. Обращаясь к характеристикам двигателя последовательного возбуж- дения, легко проследить, как совер- шается переход с одной скорости на другую при изменении напряжения. Такие характеристики даны на рис. 75. Здесь кривая 1 представляет зависи- мость скорости вращения двигателя от тока при некотором напряжении на его зажимах U±, кривая 2 — ту же за- висимость при напряжении Ъ'3 < Ult кривая 3 — зависимость силы тяги на ободе колеса от тока. Пусть поезд движется при напряжении t7j с установившейся скоростью Pi и реализует силу тяги Flt потребляя ток Д. Если напряжение упадет до ве- личины U2, то из-за того, что скорость поезда в первый момент останется без изменения, ток и сила тяги упадут соответственно до значений /ги F2 Еслиэто пониженное напряжение сохранится некоторое время, то уменьшение силы тя- ги вызовет замедление поезда. При том же профиле пути сила тяги через не- которое время достигнет почти прежней величины Ft, что будет соответствовать новой установившейся скпростн иг и приблизительно прежнему току. Если те- перь напряжение вновь поднимется до величины b'j, (характеристика — /), скорость е2 вначале не изменится и сила тяга возрастет до величины Fs, а ток— До /э. Поезд получит ускорение, сила тяги станет падать и, когда она станет равной F1T поезд будет иметь первоначальную скор ь и слова прежний ток Таким образом, переход от одного напряжения к другому приводит к из- менению скорости поезда, приблизительно пропорциональному изменению напряжения. Посмотрим, как влияет понижение напряжения на нагревание тяговых дви- гателей. Как известно, нагревание зависит от количества тепла, выделяемого в меди и в стали. Последнее же в свою очередь зависит от величины тока и на- пряжения. Так как понижение напряжения приводит к незначительному умень- шению тока, можно считать, если не изменится степень ослабления поля, ток па том же элементе профиля (при установившейся скорости) примерно один в тот же. Однако время хода увеличивается за счет понижения скорости. Если имеется возможность, то машинист локомотива, стремясь выдержать вре- мя хода, заданное графиком движения, попытается повысить скорость за счет 113 5 X. Г. Мяркчярд»
вменения режима ведения поезда т е. уменьшит время вы&га ши перейди на следующую ступень ослаблении поля. Это поведет или к увеличению време- ни потребления энергии, или к увеличению тока я, следовательно, к более ин- тенсивному выделению тепла в обмотках двигателя Одновременно понижение напряжения ведет к уменьшению тепла, выделенного в стали якоря. Интенсив- ность же охлаждения при прочих равных условиях зависит от количества ох- лаждающего воздуха, прогоняемого мотор-вентнлятором. Окончательная тем- пература двигателя устанавливается в результате воздействия всех перечислен- ных факторов Приведем некоторые опытные данные, иллюстрирующие нагре- вание двигателя. На рис 76 показаны опытные кривые изменения температуры двигателя ДПЭ-400 при различном напряжении, снятые на испытательном стенде Новочер- касского электровозо- строительного завода (НЭВЗ). Здесь сплошные ли- пин относятся к напря- жению на двигателе 750 в, а пунктирные — к напряжению 1 500 в. Соответственно изменя- лось н количество ох- лаждающего воздуха. Нагревание в обоих ре- жимах начиналось (по условиям постановки опыта) с различных на- чальных температур. Од- нако наибольший инте- рес представляет значе- ние установившихся тем- ператур (соответствую- щих длительной работе с током 225 а). Из при- P"nnSiJгаяератури тягового двигателя MlJfMUO при изменении напряжения на электровозе веденных кривых видно, что при понижении напряжения в два раза некоторое увеличение температуры получают обмотки главных полюсов, что объясняется уменьшением количества охлаждающего воздуха. Температура же якоря значительно понизилась (не- смотря на уменьшение количества охлаждающего воздуха), так как с умень- шением числа оборотов уменьшилось количество тепла, выделяемого в сердеч- нике якоря. ЧТП1^3 изложеиных соображений было бы неосторожно делать заключение, пя т«гНИЖеИ,,е |ипРяжения никогда не. может вызвать недопустимого перегре- v ™.™вых Лв,,гателей- Ка к уже отмечалось, вследствие понижения скорости ппи тгоа??" время работы Двигателя с тем же примерно током. (Поэтому пусти^Гга 2?льшнх Длительного тока двигателя, возможен перегрев сверх до- нмррт п идяако следует иметь в виду, что зона пониженного напряжения (по 11,!ЧеН11ж° ДЛ,1НУ 11 располагается ие обязательно там, где имеет место noii'iiniiuw”” 11Р0*?”-11’) максимальный перегрев двигателей. Другими словами, Двигателе! вр1ОМ иапРяжении не обязательно должен быть перегрев обмоток «ни должен Еежим нагРевания тяговых двигателей при пониженном напряже- ния, постоое?РОВерПТЬСЯ в ко«кретных условиях, исходя из кривых нагрева- такжесучетп 1ЫХ ПрИ С00Т8етствуюших напряжениях, и времен хода, взятых пряжениях fc напРяжения- Кривые нагревания двигателей при равличных па- вептиляторамиПеТОМ >меньше,!ия количества воздуха, прогоняемого через них Подробные МогУт^1,1ТЬ построены расчетным путем либо сняты на стенде, постоянного токисследования нагревания тяговых двигателей электровозов ! а ПРИ Различных напряжениях были проведены в Уральском
отделении Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорож- ного транспорта Министерства путей сообщения (ВНИИЖТ МПС). В результате разработана методика учета изменения напряжения в тяговой сети на на- гревание тяговых двигателей. В связи с рассматриваемым здесь вопросом небез- ынтересно отметить некоторые выводы упомянутого исследования. Оказалось, например, что для обмотки якоря при больших нагрузках (выше часовой в 1,2 раза и более) в случае понижения напряжения в сети на 1 000 в общее повыше- ние температуры может достигнуть 10—15° С. В эксплуатации эта величина уменьшается в 2—3 раза, так как электровоз только часть времени работает с таким низким напряжением. Поэтому для реальных условий повышение темпе- ратуры будет не более 4—7° С. При нагрузках, равных или меньших часовой, понижение напряжения против номинального вызывает уменьшение температу- ры нагрева. Далее, для обмотки главных полюсов влияние отклонения напря- жения в тяговой сети является существенным при работе с нагрузками, превышающими часовую мощность. Однако в практических условиях нагрева- ние этих обмоток не ограничивает мощности двигателя, так как электровозы, как правило, работают с ослаблением возбуждения тяговых двигателей. В связи со сказанным нет необходимости учитывать влияние отклонения напря- жения в тяговой сети на нагревание обмоток главных полюсов 121 ]. Таким образом, рассмотрев влияние изменения напряжения на работу тяговых д вигателей (в том числе нагревание их), можно заключить, что в особых условиях электровоз с тяговыми двигателями последовательного возбуждения способен работать в широком диапазоне напряжений вплоть до 50—60% номинального. Однако не следует этот вывод распространять на случаи работы по нормальному графику движения. Нагревание двигателей необходимо про- верять каждый раз в конкретных условиях линии. Что касается скорости дви- жения, то она снижается соответственно напряжению. Следует также упомянуть о том, что пониженное напряжение и скорость перед так называемым инерционным подъемом могут привести к затруднениям при его преодолении. Возможность преодоления поездом инерционного подъема необходимо проверять для конкретных условий линии [22]. Наряду с основным оборудованием важную роль на электровозе играют так называемые вспомогательные машины. Нарушение их работы по существу делает весь электровоз неработоспособным. Влияние уровня напряжения на работу вспомогательных машин рассмотрено в литературе (231 Приведем (231 лишь окончательную таблицу (см. табл. 17), в которой даны сведения о работо- способности вспомогательных машин. Из табл. 17 видно, что снижение напря- жения по-разному влияет на работу различных серий электровозов. В первом приближении можно сказать, что работоспособность вспомогательных машин электровоза ВЛ22М обеспечивается при снижении напряжения до 1 800 в, электровозов ВЛ8 и ВЛ23 — до 2 200 в. Правда, следует иметь в виду, что большую роль играют конкретные условия эксплуатации. Например, важно, сколько времени будет иметь место пониженное напряжение. В частности, для питания цепей управления может быть использована аккумуляторная батарея Отпуск тормозов в большой мере зависит от длины состава. Следо- вательно, в различных конкретных условиях можно установить, как будет себя вести электровоз данной серин при различном напряжении. Выпрям1ггельпые электровозы переменного тока серин ВЛ 60 имеют тяговые двигатели последовательного возбуждения, подобно электровозам постоянно- го тока. Поэтому' вес сказанное выше (для электровоза постоянного тока) в от- ношении влияния напряжения па скорость, силу тяги, нагревание тяговых дви- гателей, возможности преодоления инерционных подъемов относится и к вы- прямительным электровозам переменного тока. Особо стоит вопрос о работоспособности вспомогательных цепей электро- возов переменного тока Будем здесь рассматривать наиболее распространенный электровоз ВЛ60. Питание вспомогательных цепей электровоза осуществляется от вспомога- тельной обмотки 380 в силового трансформатора. Потребители однофазного 5* 115
Таблица 17 Вспоиогптсльиые машина „ . ниже которого «арушоется работоспособность Напряженке мвшип электровоза ВЛ22“ ВЛ8 | ВЛ 23 -—— — Мотор вентилятор (дает »/я но- ; мннального количества воз- духа, перегрева мотора нет) Мотор-компрессор (дает номи- нальное количество воздуха, при непрерывной работе в длительном режиме наблю- дается некоторый перегрев обмоток главных полюсов, для двигателя ДК 404А—по- I 600-1 700 1 1 600-1 700 1 600-1 700 1 700—1 800 1 600—1 700 1 600—1 700 Генератор управления (пере- грела обмоток нет) . . Автотормоза поезда 1 600-1 700 1800 (При составе из 75 четырехосных вагонов время отпуска тормо зов увелнчнва ется до 4 мин- прн составе из 50 вагонов — нормальный от пуск) 2000—2200 1800 (При составе из 75 четырехосных вагонов обеспе- чивается нор- мальное время отпуска тормо- зов) 2000—2200 1800 (При составе из 75 четырехосных вагонов время отпуска тормо- зов увеличива- ется до 4 мин-, прн составе из 50 вагонов—нор- мальный отпуск) тока (шкафы управления ртутными выпрямителями, асинхронные расщепители фаз, обогреватели и т. п.) получают питание непосредственно от обмотки 380 в. Потребители трехфазного тока (трехфазные асинхронные двигатели с коротко- замкнутым ротором для привода вентиляторов, компрессоров, насосов) питают- ся от расщепителей фаз. При снижении напряжения в тяговой сети пуск фазор асщепителей осложняется, так как резко уменьшается вращающий момент машин (пропор- циональный квадрату напряжения), возрастает продолжительность пуска. В результате возникают недопустимые перегревы обмоток фазорасщепителя, что может привести к выходу его из строя 1241. При снижении напряжения в трехфазной системе вспомогательных машин резко уменьшается вращающий момент, увеличивается асимметрия напряжения и, в конечном счете, возника- ют перегревы двигателей (25]. Прн значительном снижении напряжения цепи управления выпрямителей (зажигатели и подхватывающие аноды) работают неустойчиво, с частыми пропусками зажигания, что может привести к повреждению вентилей и тяговых двигателей. Поэтому при снижении напряжения до 285 в (что соответствует 18,7 кв на токоприемнике электровоза) вспомогательные цепи отключаются с по- мощью реле минимального напряжения [251. Таким образом, по условиям ра- боты вспомогательных машин электровоз BJI60 сохраняет свою работоспособ- ность при напряжениях в тяговой сети 19 кв и выше. До сих неф мы рассматривали влияние отклонений напряжения иа работу электрических локомотивов Посмотрим, к чему приводят колебания (кратко- временные изменения) напряжения. Для этого следует рассмотреть те явления в подвижном составе, которые могут иметь место при резких изменениях напряжения в течение той части пе- реходного процесса, когда скорость поезда еще остается прежней. Обращаясь снова к рис 75, можно установить, что резкий рост напряжения вызывает в пер- вый момент времени значительный толчок силы тяги и тока При этом толчок тока и силы тяги тем больше, чем более пологий карактер имеют кривые 1 и 2, И6
т. е. чем с большим насыщением работали тяговые двигатели до изменения на- пряжения. Значительный толчок силы тяги может вызвать боксование, полом- ку шестерен и повреждение сцепных приборов, а резкое возрастание тока опас- но из-за возможности появления кругового огня па коллекторах двигателей. Резкий спад напряжения, сопровождаемый значительным уменьшением тока и силы тяги, тоже может быть опасным для подвижного состава. Как показывает опыт эксплуатации, в результате резкого уменьшения тягового усилия в соста- ве могут возникнуть динамические силы, носящие колебательный характер. В отдельных случаях это может привести к обрыву сцепки. Резкое изменение напряжения может неблагоприятно повлиять иа работу двигателя при рекуперации энергии. Напряжение на зажимах двигателя, ра- ботающего в режиме рекуперации, должно быть выше напряжения сети. Ток же рекуперации определяется разностью между э. д. с. рекуперирующего локо- мотива и напряжением сети. Резкое изменение напряжения приведет к резкому изменению этой разности. Таким образом, уменьшение напряжения в сети может вызвать значительный бросок тока н связанный с этим толчок тормозной силы; увеличение же напряжения приведет к резкому спаду тока и, следователь- но, к резкому уменьшению тормозной силы. Более подробно влияние резких изменений напряжения на работу электро- подвижного состава рассмотрено в литературе (261. § 14. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА НАПРЯЖЕНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО УЧАСТКА Система постоянного тока. Выше было рассмотрено влияние режима на- пряжения на работу электрических локомотивов и установлен характер изме- нений их работы при различных уровнях напряжения. Всякие же изменения в работе локомотивов отражаются на эксплуатационных показателях участка электрифицированной железной дороги в целом. Следовательно, для определения влияния переменного режима напряже- ния на показатели работы участка необходимо уметь устанавливать действи- тельный режим напряжения на токоприемнике локомотива при работе его на линии в любых условиях и в любое время. Для точного решения этой задачи необходимо было бы создать метод, позволяющий учитывать влияние нагру- зок всех поездов, одновременно следующих по рассматриваемому участку, на потери напряжения в тяговой сети, на подстанциях, в линиях передачи, а также влияние возможных колебаний подводимого к тяговым подстанциям напряжения. Напряжение же на шипах тяговых подстанций меняется в зави- симости от тяговой нагрузки н отклонений, вызываемых в питающей системе рядом причин [27. 281. Представление о характере изменения нагрузки ина- пряжения на шинах одной из тяговых подстанций дает рис. 77, из которого, в частности, видно, что в некоторых случаях (от 6 до 13 ч в правой части гра- фика), несмотря иа то, что тяговая нагрузка имеет относительно меньшую величину, напряжение сильно понизилось, что, следовательно, вызвано про- цессами, не связанными с увеличением тяговой нагрузки. Чрезвычайная сложность точного установления режима напряжении заставляет удовлетвориться менее точным, но значительно более простым способом. Так как отклонения напряжения рассматриваются с точки зрения их влия- ния на скорость поездов, а следовательно, л на время их хода, то необходимо найти способ определения поперегонных времен хода с учетом действительного режима напряжения. Эти величины должны служить для корректирования тя голых расчетов и для построения графика движения. Рассмотрим несколько упрощенные графики зависимости скорости движе- ния поезда от пути при одинаковом режиме ведения его, ио прн двух значениях напряжения в контактной сети Ut и Г7Е(Г/а < t/J, остающихся неизменными 117
JIS в течение всего времени хода поезда (рис. 78). На этом ри- сунке: Я—длина пути, на кото- ром происходит пуск и разгон поезда по автоматической ха- рактеристике; 4. 4 и 1С — то же, движение под током с установив- шейся скоростью; 4 — то же, замедление на подъеме; 4.4—то же, выбег; = 4—то же, торможение. | На рассматриваемых скоро- £ стных диаграммах точки 2 и 4 § могут быть несколько сдвинуты- “ ми по горизонтали относительно g точек I и 3, но так как эти сдви- £ ги обычно ничтожны по сравне- ь нию с длинами участков, пред- = шествующих (4 и 4) и последую- е хцмх (4 и 4). то таким несовпа- g дением для простоты можно пре- g небречь и рассматривать упро- g. хценные диаграммы скоростей, = представленные кривыми А п в’. = На основании кривых А и В § будем строить отношение скоро- >. стен в функции пути, т. е. j £=т й гдеО1ИРа—скорости, соответ- * ствующие напря- g жениям иг и Uz. с. Полученные значения отно- шений скоростей по участкам пути показаны на рис. 78 пун- с ктирной линией £ Известно, что скорость дви- гателя в процессе пуска ие зави- сит от напряжения сети у токо- приемника, поэтому на участке Оа отношение скоростей' равно единице. При меньшем напряже- нии поезд выходит на автомати- ческую характеристику при меньшей скорости, т. е.' строго говоря, точка 2 должна лежать левее точки I Справа от точек 1 и 2 до точек 3 и 4 согласно ранее установленному положению (в) отношение скоростей равно отно- шению напряжений. Тогда мож-
но утверждать, что на участке от О до б отношение скоростей колеблется от I до . На участках /а, 1лн1в отношение скоростей все время остается постоянным и равным отношению напряжений. В таком случае, очевидно, и на участке /а (движение в режиме тяга с замедлением), и даже на участке /Е (выбег, если он невелик) должно приближенно сохраняться это отношение, так как с обеих сто- рон этих участков условие (б) сохраняется. В начале участка отношение скоростей также равно отношению напряже- ний. Соотношение скоростей в конце этого участка может быть определено ис- ходя из изменения живых сил поезда и работы сил сопротивления движению на участке Результаты такого определения позволяют принять отношение скоростей по всему участку /7 также равным отношению напряжений. Тогда мож- но достаточно просто установить и соотношение скоростей на участке /8, при- Рис. 78. Диаграмма изменения скорости поезда при его движении по участку для двух значений напряжения няв линейную зависимость скорости от пройденного пути при торможении. При этом, очевидно, отношение скоростей для любой точки пути при торможении может быть принято равным отношению напряжений Таким образом, из рассмотренного следует, что на всем пути движения поезда, исключая лишь периоды пуска и разгона на автоматической характе- ристике, сохраняется отношение скоростей, равное или почти равное отношению напряжений. Однако, если в реальных условиях имеется возможность несколько изме- нить режим ведения поезда (время хода на выбеге н торможении), то можно сохранить отношение скоростей для режимов выбега и торможения равным еди- нице. Для этого, очевидно, следует только пройти в тяговом режиме при напря- жении U2 большие участки пути, чем при напряжении Ut, с тем, чтобы выйти на кривые выбега поезда при напряжении (как это показано на рис. 78 точ- ками 5—6 и 9—10). При переходе на тяговый режим в точке 7 поезд перейдет на кривую, соответствующую пониженному напряжению в точке 8. Считаем, что увеличить скорость путем изменения режима ведения поезда нельзя, так как мощность локомотива использована полностью (согласно требованиям ПТР [6|). Если еще учесть, что разгон поезда по автоматической харак- теристике (участок лб) происходит в течение относительно малого времени, то можно считать практически зависящей от напряжения и пропорциональной ему только скорость движения поезда по автоматической характеристике, т. е. при потреблении им энергии, за исключением периода пуска. Переходя от скоростей к [временам, обозначив через 1т1 общее время хода поезда в тяговом режиме при напряжении Ц, а !т2 — то же при на- пряжении U2 и /„ -время пуска поезда, можем записать 119
tmi — _ /Л U> так как времена хода поездов по автоматической характеристике на одних и тех же участках пути при двух разных напряжениях обратно пропорциональны скоростям, соответствующим этим напряжениям. Обозначая tmi—61 через fmi и tm2 — tn через /т2, можем определить 6п2— В действительных условиях работы электрического локомотива на участке напряжение на его токоприемнике не остается постоянным, а колеблется; сле- довательно, для возможности практического применения выражения (г) его следует представить в несколько ином виде, учтя изменение напряжения у движущегося поезда. Если бы между скоростью и непрерывно изменяющимся напряжением су- ществовала линейная зависимость, то средняя с ко]) ость по участку и, следова- тельно, время его прохода определялись бы средним значением напряжения. Однако изменение скорости поезда из-за наличия сил инерции отстает от изме- нения напряжения. При колеблющемся напряжении всегда будет иметь место чередование спа- дов и подъемов напряжения. Следовательно, будут иметь место отставания как в росте, так и в снижении скорости» вызываемые указанными изменениями на- пряжений. Поэтому, если считать, что скорость определяется мощностью «локомотива, а не какими-либо ограничениями, то можно допустить возмож- ность достаточной взаимной компенсации между задержками роста и пониже- ния скоростей и считать среднюю скорость линейно связанной со средним на- пряжением у электровоза за время потребления им энергии (исключая время пуска). Таким образом, действительное время хода по рассматриваемому участку /я можно определить по формуле (84) Ucp где t—расчетное время хода поезда по рассматриваемому участку пути (из тяговых расчетов); tm— расчетное время хода поезда по тому же участку в тяговом ре- жиме, исключая время пуска; Uv — расчетное напряжение (принятое в тяговых расчетах); U— действительное среднее напряжение в сети у поезда за время tm. Величина среднего напряжения в сети у поезда за время его хода по участку в тяговом режиме (исключая время пуска), очевидно, равна — fin. ср ср Ср, (85) где {^ — напряжение холостого хода на шинах постоянного тока тяговых подстанций; еп. сР—среднее значение отклонения напряжения на вводах в тяговую подстанцию от нормального значения, отнесенное к шинам постоян- ного тока (положительное или отрицательное), не зависящее от тяговой нагрузки; &U» ч,—среднее понижение напряжения на шинах постоянного тока под- станции, вызванное тяговой нагрузкой; <1> — средняя потеря напряжения в проводах контактной сети и рель- совой цепи от шин подстанции до поезда. 120
Все средние величины выражения (85) должны быть определены за время соответствующее Ucp. Большое значение имеет учет действительного уровня напряжения при определении потерегонной пропускной способности, которая для параллельного графика движения определяется из выражения ^=т+г *ОТ»св (86) где No — максимальное число поездов, которое может быть пропущено по участку за время Т (сутки, часть суток); t0 — время хода поезда по ограничивающему перегону, определенное с учетом действительного режима напряжения; 4и — время на сношение — минимально допустимое время между уходом одного поезда с ограничивающего перегона и выходом следующе- го на этот перегон. Если рассматривается двустороннее движение с различными временами хода поездов различных направлений по ограничивающему перегону, то расчет пропускной способности делается в парах поездов; тогда /0 — сумма времен хода пары поездов противоположных направлений и 4н — время на сношение для пары поездов. Если имеются в виду пакетные или частично пакетные гра- фики движения, то влияние уровня напряжения на пропускную способность может измениться, что должно учитываться при определении времени хода по ограничивающему перегону. Что касается колебаний (кратковременных изменений) напряжения, то раньше было установлено, что на скорость движения поездов они повлиять не могут. Следовательно, ограничения их величин необходимо обусловливать со- ображениями, связанными с допустимыми толчками напряжения. К сожалению, досих пор не установлены величины колебаний напряжения, которые можно до- пускать, не опасаясь вредных последствий. Система однофазного тока промышленной частоты. Отличительной особен- ностью режима напряжения на дорогах однофазного тока является то, что здесь оказывает существенное влияние индуктивность цепи, питающей тяговые дви- гатели. Влияние этой индуктивности сказывается различным образом на па- дениях (и потерях) напряжения при различных коэффициентах мощности электровозов. Чем ниже коэффициент мощности электровозов, тем сильнее будет сказываться реактивное сопротивление трансформаторов подстанций и тяговой сети и, следовательно (при одной и той же активной мощности), тем ниже будет напряжение на шинах тяговой подстанции и в тяго- вой сети. Падение и потеря напряжения в тяговой сети на- участках однофазного тока промышленно!’! частоты находятся в большой зависимости от типа при- меняемого электровоза. При разработке системы однофазного тока и выборе типа электровоза этому вопросу было уделено большое внимание. Кроме элек- тровоза со статическим преобразователем разрабатывались и испытывались также электровозы с машинными преобразователями и коллекторными двига- телями . Электровозы с машинными преобразователями по сравнению с электрово- зами со статическими преобразователями обладают значительно более высоким коэффициентом мощности (вплоть до единицы) и даже могут работать с опере- жающим углом сдвига фаз. Объясняется это тем, что при электровозах с машинными преобразова- телями обычно в качестве первичного двигателя использовался синхронный двигатель, который, как известно, позволяет в широких пределах регулиро- вать коэффициент мощности. Изменяя угол сдвига фаз, можно поддерживать необходимое напряжение на электровозе. Однако к. п. д. этих электровозов 513 К Г Мяркплрдт 12*
значительно ниже, чем у электровозов со статическими преобразователями, что ведет к увеличению потребляемой мощности и при всех прочих равных условиях —к увеличению падения и потери напряжения. Высокая стоимость и низкий к. п. д. привели к отказу от этих электровозов. Электровозы с коллекторными двигателями имеют больший к. п. д„ а коэффициент мощности получается достаточно высоким (более 0,8) только при относительно высоких скоростях (более 50—60% от номинальной). При ма- лых скоростях он сильно понижается. Эти электровозы также не пол\ чили распространения. Исключительное применение получили электровозы со статическими пре- образователями, При выпрямительных электровозах на скорость движения ока- зывают влияние не только параметры системы энергоснабжения, по и парамет- ры самого электровоза. Энергия потребляется с некоторым сдвигом фаз, имеет место искажение кривой тока, в цепи, кроме активных сопротивлений, имеются индуктивности и, в первую очередь, индуктивность трансформатора электро- воза. Для определения действительного времени хода электровоза может быть использовала приведенная выше формула (84), так как при построении скоростных характеристик электровоза при постоянном напряжении на его токоприемнике [31) учитывалась потеря скорости за счет потери напряжения в его цепи (в выпрямительном устройстве электровоза). Были проведены исследования [30J возможности регулирования напря- жения на трансформаторе электровоза (применительно к электровозам, имею- щим двухполупериодный ионный выпрямитель с выведенной нулевой точкой трансформатора и без использования сеточного управления). Согласно этим исследованиям понижение напряжения в тяговой сети может быть компен- сировано понижением коэффициента трансформации электровозного трансфор- матора только в определенных пределах. Как и при постоянном токе, можно считать, что ток, потребляемый тяговы- ми Двигателями электровозов с ионными преобразователями, в одинаковых ус- ловиях продольного профиля остается почтя постоянным, т. е. что с изменением скорости движении сопротивление движению изменяется в незначительных пределах. При таких условиях уменьшение коэффициента трансформации на электро- возе повышает напряжение на тяговых двигателях и скорость движения до не- которой определенной величины, при которой достигается максимум мощности, передаваемой тяговым двигателям. Попытка повысить напряжение на тяговых двигателях и, следовательно, потребляемую ими мощность сверх этих пределов приводит к обратным результатам, т. е. к понижению напряжения на двигате- лях. Это явление объясняется увеличением потерь напряжения, вызванным- увеличением тока в первичной обмотке электровозного трансформатора, в тя- говой сети и в трансформаторе подстанции и, кроме того, уменьшением ко- э^фщиента мощности. В упомянутом исследовании [30] показано, что уменьшение коэффициента трансформации трансформатора электровоза для компенсации потерь напряже- ния в тяговой сети дает эффект только при небольших токах, потребляе- мых локомотивом, и в пределах ие более] 10—15% от номинального напря- жения Кроме того, уменьшение коэффициента трансформации на данном электровозе для поддержания его скорости ведет к повышению тока в тяго- вой сети и трансформаторе подстанции и увеличению потерь напряжения, К умеиьще,1И1° скорости других электровозов. К недостаткам регулиро- „ ^^К°РОСТИ ”утем снижеи,1« коэффициента трансформации относится также „I ОТКЛ1<’чение других электровозов может вызвать резкое увеличение на- пряжения на двигателях данного электровоза. высок^"™»^",™ "О1М,° сдалать ?ывод’ 410 “Садимо „бесгетавать ,,е,%е™2Р.«»Ф»кишя в тяговой сети различными средствами, при- СПК0С“ 122
§ 15. НАПРЯЖЕНИЕ СЕТЕЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ Районные сети. Выбор ступени напряжения в сетях первичной части опре- деляется технико-экономическим сравнением ряда вариантов в соответствии со шкалой напряжений принятых стандартов. Электрические нетяговые сети разделяют в зависимости от их назначения на сети районного значения и на местные сети, которые в свою очередь могут быть разбиты на группы (коммунальные, фабрично-заводские, сельскохозяй- ственные и т. и.). Местные сети работают при напряжениях 35 кв с радиусом действия 15—20 км. Районные сети обычно имеют напряжения от 110 кв и выше. В некоторых случаях линии 35 кв входят в районные сети. В районных сетях, от которых питаются электрические железные дороги, применяются напряжения 35, 110 (154) и 220 кв. Наибольшее распространение получило напряжение НО кв. Установлены пределы изменения напряжения у потребителей. Согласно Правилам устройства электроустановок [2] отклонение напряжения на зажи- мах электродвигателей от номинального, как правило, должно быть не бо- лее+5/о; в отдельных случаях допускается отклонение напряжения выше номинального до +10%. Снижение напряжения у ламп рабочего освещения промышленных предприитий и общественных зданий и прожекторных устано- вок наружного освещения должно быть не более 2,5%, а ламп жилых зданий н аварийного освещения — не более 5%. Наибольшее напряжение на лампах, как правило, не должно превышать 105% номинального напряжения ламп. При аварийных режимах напряжение на лампах не долж снижаться более чем на 12% от их номинального напряжения. Тяговые сети. Напряжение в тяговой сети определяется применяемой в данной стране системой электрической тяги. У нас в стране нашли приме- нение система постоянного тока и система однофазного тока. Для них принят стандарт (ГОСТ 6962—54*) на напряжения электрифицированного транспор- та с питанием от контактной сети. При составлении стандарта на напряжения электрических железных дорог была учтена специфическая особенность их работы, заключающаяся в том, что напряжение в тяговой сети все время меняется и наиболее определенным является номинальное напряжение на шинах тяговой подстанции. Поэтому в указанном выше стандарте дается определение именно этому напряжению. Для постоянного тока оно опреде- ляется как «среднее значение выпрямленного напряжения при номинальном значении выпрямленного тока н номинальном напряжении электрической сети, питающей тяговую подстанцию (при полностью открытых управляющих сетках ртутного выпрямителя)». Для магистральных железных дорог это на- пряжение составляет 3 300 в. Кроме этого, в стандарте нормируется сноми- налыюе (условное)» напряжение на токоприемнике электроподвижного состава, которое принято равным 3 000 в. Характеристики и номинальные данные электроподвяжного состава н его оборудования должны быть отнесены к номи- нальному (условному) напряжению на токоприемнике электроподрижвого состава. 'Именно этим напряжением (и родом тока) характеризуются системы электрической тяги. На пригородных участках с моторвагонной тягой в первый период элект- рификации было применено напряжение 1 300 в. при котором система тяги значительно менее экономична, чем при 3 000 в. В последние годы электрифи- кация пригородных участков моторвагонной тягой ведется также при напряже- нии 3 000 в, на которое переводятся все участки, ранее электрифицированные па 1 500 в. При системе тяги на однофазном токе промышленной частоты номиналь- ным напряжением на шинах подстанции считается напряжение на зажимах тяговой обмотки трансформатора при его холостом ходе, при номинальном напряжении на зажимах его первичной обмотки П соответствующем этому • Измененная редакция Информационный указатель стандартов, № 4, 1962 5В* 123
напряжению положении переключателя. Эгс напряжение принято равным 27 5 кв Номинальное (условное) напряжение ма токоприемнике эЛектропод- пижпого состава —- 25 кв Кроме того, указанным стандартом установлены максимальные напряже- ния которые могут кратковременно допускаться в условиях эксплуатации. Под максимальным напряжением на токоприемнике электроподвижного соста- ва постоянного тока в тяговом режиме понимается величина напряжения на шинах тяговой подстанции при наибольшем отклонении напряжения в питаю- щей сети от номинального, при отсутствии нагрузки на стороне выпрямленного тока и при переключенных ответвлениях первичной обмотки силового транс- форматора на минус 5%. Максимальное напряжение для дорог постоянного тока нс должно превышать величины 3 850 в на тех линиях, где не применяет- ся рекуперативное торможение, и 4 000 в на участках, где такой вид торможе- ния используется. Максимальное напряжение па токоприемнике электроподвижного соста- ва переменного тока, т. е. наибольшее допустимое значение напряжения при нормальных эксплуатационных условиях, тем же стандартом установлено в 29 ке; минимальное напряжение, т. е. наименьшее значение напряжения при всех эксплуатационных условиях, не должно быть менее 19 кв (по условиям надежности работы электроподвижного состава). Кроме того» установлено минимальное напряженке в условиях эксплуа- тации, т. е. наменыпее напряжение в сети у токоприемника локомотива при нормальной схеме питания, которое может быть допущено по условиям обеспечения участковых скоростей, заложенных в график движения поез- дов. Для его оценки определяют не колебания, а среднее значение отклоне- ния напряжения за время потребления поездом энергии на любом перегоне (или блок-участке). В настоящее время в ПТЭ [1], являющихся основным документом, регламентирующим работу железных дорог, указывается, что уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава иа лю- бом блок-участке должен быть не менее 21 кв при переменном токе и 2,7 кв при постоянном токе. При оптимальных экономических параметрах системы энергоснабжения независимо от этих норм подавляющее болыпинст о поездов будет иметь напряжение, близкое к номинальному’. § 16. НАПРЯЖЕНИЕ НА ШИНАХ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ Напряжение на шинах тяговой подстанции изменяется в зависимости от нагрузки (тяговой и нетяговой) самой подстанции, а также нагрузки питающей энергосистемы. Поэтому при одной и той же тяговой нагрузке подстанции на- пряжение на ее шинах может быть различным. Другими словами, нельзя уста- новить непосредственную зависимость между уровнем напряжения на шинах подстанции и ее тяговой нагрузкой. Однако можно заметить, что нагрузка тяги претерпевает более резкие изменения, нежели нетяговая, у которой в ряде слу- чаев можно выделить регулярную составляющую. Эта составляющая связана с режимом электропотребления (по часам суток и дням года) и, в известной сте- пени, позволяет предугадывать изменения уровня напряжения, не зависящие от тяговой нагрузки данной подстанции. Если последняя равна нулю, на шинах устанавливается напряжение холо- стого хода. Вот это напряжение и изменяется в зависимости от общего режима работы энергосистемы, в частности, от нагрузки других тяговых подстанций. 1Т!^^ЧеЩ1и ™говой нагрузки данной подстанции и неизменном напряжении хода ,,апРяж™е >'ауменьшается. От уровни напряжения па “ ” ве 1<м<*О1ипряжен1|е на токоприемнике поезда (а следовательно, Готбевиг) я н0 ’* распределение нагрузок между подстанциями в тагоХ S РеЧ’Ч’адни), а также ветчина тока короткого замыкания тягомТ!£™.«о Р“мотРе™“ зависимости уровня напряжения па шипах тяговой подстаншш от ее нагрузки. Отсутствие падежных способов расчета, 124
и Ряс. 79. Внешняя характеристика ртут- новыпрямительной тяговой подстанции позволяющих учитывать изменения напряжения в части его, не зависящей от тяговой нагрузки данной подстанции, привело к необходимости вести расчет исходя из напряжения холостого хода и учитывать изменение напряжения, вызванное только тяговой нагрузкой данной подстанции. Уровень же напряже- ния холостого хода выбирается в зависимости от характера решаемой задачи, т. е. берется возможное максимальное нлп минимальное его значение — если решается задача, связанная с надежностью работы, либо некоторое среднее его значение — при экономических расчетах. Напряжение на шинах тяговой подстанции постоянного тока принято нахо- дить, пользуясь внешней! характеристикой подстанции (зависимостью напряже- ния на шинах от нагрузки), имеющей вид (рис. 79) наклонной (падающей) пря- мой липин (потери напряжения линейно связаны с током подстанции). Характе- ристика получается различной при вклю- чении различного числа агрегатов и чис- ла вводов иа подстанции. На рис. 79 прямая 1 относится к случаю, когда на подстанции включены все агрегаты (ла) и все вводы. Прн включении меньшего числа агрегатов п или части вводов потеря напряжения до шин подстанции при той же нагрузке будет больше (прямая 2). Наконец, пря- мая 3 показывает потерю напряжения при включении только одного агрегата. Через Uи обозначено номинальное на- пряжение па шинах выпрямленного то- ка подстанции при номинальной нагруз- ке, через Со — напряжение холостого хода. Так как характеристика подстан- цииблизка к прямой линии, ее уравнение можно написать в виде: U = U0-IP. (87) где U — напряжение (выпрямленное) на шинах подстанции; I — ток подстанции (выпрямленный). Коэффициент р может быть условно представлен как внутреннее сопротив- ление источника энергии (в данном случае—подстанции). Наклон внешней характеристики определяется рями напряжения в первичной сети и на подстанции. Снижение напряжения на шинах выпрямленного тока в результате потерь в индуктивных сопротивлениях трансформаторов преобразовательных агрега- тов определяет;я выражением ш = (68) где I—нагрузка подстанции в а\ 1„ — номинальный ток одного агрегата в с; А — коэффициент относительного наклона внешней характеристики агрегата, зависящий от схемы выпрямления тока; «к%—напряжение короткого замыкания трансформатора в %; 6'0 — напряжение на шипах выпрямленного тока при холостом ходе в а; п — число работающих агрегатов. Дополнительное снижение напряжения на стороне выпрямленного тока из-за потерь напряжения в индуктивном сопротивлении первичной питающей сети Л1/4 = -Д, А^-и.е, (89) /1! <‘0 **. 3 где — номинальная мощность первичной обмотки треисформатора одного преобразовательного агрегата в кеа;
S. .-моствосш ^0 —И» ^KOWPUX = 2рХ.иТ°Л™Учае двойной трансформации на вторично стороне понижающих трансформаторов) в кеа, „ общее число агрегатов на подстанции. Ллтялыфыр обозначения те же, что и выше. SX XX напряжения на шинах выпрямленного тока при некоторой нагрузке подстанции I составит ди = . (90) ДЮОп Отсюда внутреннее сопротивление подстанции (с учетом питающей си- стемы) может быть представлено в виде Д17 Ц ом. (91) Коэффициент А для обычно применяемых на тяговых подстанциях схем выпрямления (нулевой с уравнительным реактором или трехфазной мостовой) составляет 0,5. лк% для трансформаторов преобразовательных агрегатов колеблется в сравнительно узких пределах (от 7 до 10%). Потери напряжения при номинальной нагрузке подстанции /и п0 (и числе работающих агрегатов л0) сост ят: S. да.=А^ n0St S,.a (90') Учитывая, что Uo — &U„=U,U можно написать Отсюда и0- (92) Полученное выражение используется при проектировании (при расчетах токов короткого замыкания в тяговой сети). Полагая, что в номинальном ре- жиме напряжение на шинах равно U„ = 3 300 в, находят U,, по формуле (92). Напряжение на шинах тяговой подстанции переменного тока равняется ^'Г*1 междУ напряжением холостого хода и потерями напряжения в энер- госистеме и трансформаторах подстанции. Последние зависят от нагрузки под- станции (в общем случае различной по разным фазам), а также (в отличие Х. ™?™11' "ос™™°|'° ™;0 от коэффициента мощности нагрузки. Рас- «» ,„™^0ПрйС виачале Л™ сипусовдальиой нагрузки. Для ойрсделашя toohS™ »?.™Н‘,Я ВМПОЛЫУ“'“1 схемам., замещения и соответствующими вск- ТОК XSS™B noSST" ПР" Р“Л“ЧНЫХ СХСМаХ СОД”“И",Я ибМ°‘ вия, сте ТраНСформаторах (см- Р"с- 18> однолинейная схема пита- 80, а, б и в Щ 15Я И вектоРная Диаграмма показаны соответственно на рис. много^еньше реа№т^го0П^™ВЛе,,1!е Л1,ний пеРеДач и трансформаторов на- го индуктивные сопгуутТппл® ра5четс точностью можно братьтоль- Обозначим. Ротивленпя лиергосистемы и трансформаторов подстанции. J26
X’s — сопротивление энергосистемы (реактанс) на фазу, приведенное к напряжению на вторичной стороне подстанции, Хт — сопротивление (реактанс) трансформаторов тяговой подстанции на фазу, также приведенное к напряжению на вторичной стороне, / — суммарный ток во вторичных обмотках трансформаторов подстанции; <Р — угол сдвига фаз между током I и напряжением вторичной обмотки. Воспользовавшись рис. 18, в и схемой замещения (рис. 80,6), построим векторную диаграмму (рис. 80, в), где отрезком ab представлено падение напря женил, а его проекцией ab' — потеря напряжения ДС/ в энергосистеме и транс- форматорах тяговой подстанции. Нетрудно видеть, что At/=/(2A'$4-XT)sinq) (93) и напряжение U на шинах подстанции (прн нагрузке ее /) будет равно U=U0 — MJ, (94) где Uо — напряженке холостого хода подстанции. Для тяговых подстанций переменного тока за номинальное £/н принимается напряженке холостого хода трансформаторов подстанций при номинальном на- пряжении на вводах. Для дорог Советского Союза U„ — 27,5 кв. Рис. 80. Определение потерь напряжения до шин тяговой подстанции с однофазными трансформаторами: о—однолинейная схема питания; б—схема замещения; в—векторная диаграмма При схеме открытого треугольника (см. рис. 22) однолинейная схема пита- ния будет такой же, как на рис. 80, а, однако схема замещения будет иной (рис. 81, а). Воспользуемся векторной диаграммой рис. 22, б и построим диаграмму' (рис. 81, 6), соответствующую схеме замещения рис. 81, а. Потеря напряжения до шин тяговой подстанции, от которых питается «левая» фндерпая зона, будет равна (на рис. 81, б отрезок кп' = кт' — т’п') (2Х»+ХТ) sin <рл — hi Х$ sin(80° — <pn). (95) Потеря напряжения до шин подстанции, от которых питается «правая» фидерная зона, будет равна (рис. 81, б отрезок ас' = ab' + Ь'с') Д(7П==ДС/св=/п (2A<s+А'т) sin <рп+ /л A'ssin (60°+ Фл). (96) Рассмотрение уравнений (95) и (96) показывает, что для «левой» фидерной зоны т. е. зоны, питающейся от «опережающей» фазы, нагрузка /ц на смежной 127
фидерной зоне (получающей пилотке от «отстающей» фазы) уменьшает потерю напряжения. Потеря же напряжения для «правой» фанерной зоны, т. е. зоны, SweiS от «отстающей» фазы, увеличивается с увеличением нагрузки на смежной («опережающей») зоне. Напряжение на шинах определяется по формуле (94). Рис. 81 . Определение потерь напряжения до шин тяговой поагтяииии е тратфнрчаиранн. сотяввнюы», „ открытий л-схема замещения; б-векторная диаграмма втеSrZиm«^Ж=^<:*ч’ы^”p^м‘, (см' Р"с- 80 “ 81) сопротнвле- короткого замыкают S’ 11я определяется через мощность трехфазного орогкото замыкании S.,. „а шинах першчпого напряжения. Очёв.щно, / = —Uj" „„ 1^’ д L.-i —линеиное первичное напряжение в а- “ ХТя^ЗХХ”,?™ о~“” ” ““перв™ ст°- тагото™адта,щ™Г“"”ЕМЫ *аау Д° ,ш'“ “фвичпоп второ. Нетрудно видеть, что Ха='^_=3^ гда I/,.-фазное первичное напряжёнке в "в."
Сопротивление системы Х$, приведенное к номинальному Ue напряже- нию тяговой сети, т. е. пересчитанное с на Un будет равно , Z/2 [Is XS=XS^ = -^L. (97) C/nf '-** 8 Если измерять U„ в кв, а 5К.Э в ква, то п2 Xs = 103 ом. . (97’) Что касается сопротивления Хт, то Хт=т®-^10’оя- РП где S„ — номинальная мощность параллельно включенных однофазных транс- форматоров подстанции в ква; ик % — напряжение короткого замыкания трансформаторов в процентах. При соединении трансформатора в схему Y/Л (см рис. 19) однолинейная схема питания будет такой же, как на рис. 80, а, а схема замещения получит вид, представленный на рис. 82, а. Токи 'аз определяются из уравнений (3) главы I: Л =; /л = -g-An+ у Ль /с = ic = —|^п —Ап и показаны на рис. 20. Векторная диаграмма для схемы замещения (см. рис. 82, о) показана на рис. 82, б. Потеря напряжения от шин бесконечной мощности до зажимов вто- ричной обмотки трансформатора согласно рис. 82, б может быть предстаалена для «отстающей» фазы (отрезок ас' = ab' 4~ b'd) выражением ДУл = ДГл= (96> для «опережающей» фазы (отрезок kn'—ktn.'—m‘п'): ДУп = ДУс = |-|-/п5!п<рл — у /jI sin(60° — T'l)] (Xi+X-r)- ("> Напряжение на шинах подстанции определяется по формуле (98). Из уравнений (98) и (99) видно, что за счет тока смежной фидерной зоны по- теря напряжения для «отстающей» фазы увеличивается, а для «опережающей»— уменьшается. Поэтому, как и при схеме открытого треугольника, напряжение па «опережающей» фазе нормально выше, чем напряжение на «отстающей». Однако здесь эта особенность выражается сильнее. Если при схеме открытого треугольника влияние нагрузки смежной фазы сказывается только за счет по- тери напряжения вреактансеэнергоспстемы.товсхеме Y/д это влияние прояв- ляется дополнительно за счет потери напряжения в обмотке трансформатора тяговой подстанции. Из векторной диаграммы ряс. 82, б видно, что углы сдвига фаз фл и фс получаются различными даже при равных нагрузках и равных углах фЛ и <рп- При этом угол сдвига фс У «опережающей» фазы уменьшается по сравнению с углом сдвига фп нагрузки (п даже может стать отрицательным), а угол сдвига Фл у «отстающей»фазы увеличивается по сравнению с углом фЛ Сопротивление обмоток трансформаторов и линий передачи, в основном, индуктивное, а ин- дуктивная составляющая потери напряжения увеличивается с увеличением угла 129
Рис. 82 Определение потерь напряжения до тин тяговой подстанции с трахфаэными трансформаторами, соединен- ными в схему Y/Д.
сдвига фаз. Поэтому потери напряжения до шин тяговой подстанции в «отстаю- щей» фазе н получаются больше потерь напряжения в «опережающей» фазе. Другими словами, напряжение на «опережающей» фазе получается более вы- соким, чем на «отстающей». При определении исходных величин 4 н для схемы замещения рис. 82,а необходимо учесть, что если в предыдущей схеме сопротивление системы л$ приводилось от Unl к Uu, то в данном случае — от иф1 к UK. Второе соотношение ’ в |/3 раз меньше и, следовательно, приведенное к Ua сопротивление Xs в 3 раза больше. Другими словами, здесь сопротивление, приведенное к номинальному на- пряжению (т. е. пересчитанное с иф1 на U„), будет равно г/2 гг2 Xs=Xs 10» ол. (100) иф1 «к. а Если через обозначить общую мощность трехфазных трепсформагоров, с включенных пареллельно, и заменить в формуле (97") на то получим (,со') В приведенных выше выражениях (95), (96), (98) и (99) потери напряже- ния для каждой фидерной зоны (левой или правой) представляются в виде суммы двух слагаемых, соответственно от нагрузки «своей» зоны и от нагрузки смежной зоны. Эти нагрузки сдвинуты друг относительно друга на 60°, а сле- довательно, на такой же угол сдвинуты и составляющие падения напряжения до интересующей нас фидерной зоны. Поэтому проекции этих падений напря- жения иа вектор напряжения данной фидерной зоны, определяющие величину потерь напряжения, получаются в результате умножения на синусы различ- ных углов. Если бы мы здесь пожелали применить приводившееся выше понятие «составного сопротивления», то оно получилось бы различным для нагрузок левой н правой фидерных зон. Например, в уравнении (98) для нагрузки /л оно составило бы (Xs4-A'T) sin фл, а для нагрузки /п составило бы (Xs+XT)sin(<pn4-60°), т. е. даже при фл=фп все равно составные сопро- тиаления получились бы различными. Прн применении же на линии выпрямительных электровозов дело обстоит иначе. Если принять, что выпрямленный ток идеально сглажен, то изменение тока будет происходить только в период коммутации, а не все время, как это было в'только что рассмотренном случае. Прежде всего отметим, что углы комму- тации при выпрямлении на электровозах не превышают 60° [32] и поэтому про- цессы коммутации на электровозах, питающихся от разных фаз системы и трансформатора, не перекрываются, т. е. процессы коммутации на электрово- зах правой и левой фидерных зон не совпадают по времени. Так как прн идеаль- но сглаженном токе падение и потеря напряжения в индуктивном сопротивле- нии трансформатора и линии передачи будут иметь место только при изменении тока (т. е. в период коммутации), а распределение токов между фазами оста- нется неизменным, то за то время, пока в одной фидерной зоне (например, пра- вой) будет осуществляться коммутация, в другой (соответственно в левой) — в период одиночного горения вентилей напряжение будет повышаться или по- нижаться, как и при синусоидальной нагрузке. Следовательно, будет повышать- ся или понижаться и среднее за полупернод напряжение. Таким образом, выпрямленное напряжение будет уменьшаться за счет своего тока и повышаться или дополнительно понижаться за счет тока смежной фидер- ной зоны. Согласно исследованиям ВНИИЖТ МПС [321 потеря напряжения до зажимов вторичной обмотки трансформаторов тяговой подстанции (со схемой соединения Y/Д) представится выражением 131
д1/„=й(4г±4''). <ioi> где Z,',- приведенное сопротивление подстанции (энергосистемы и траисфор- маторов) в ом (см. § 11), т е. Zn = 0,72 (X's + Хт); Г~суммарный выпрямленный ток от фидерном зоны, получающем пи- тание фазой, для которой определяется потеря напряжения, в а; Г — то же от смежном фидерной зоны в а. Знак (-) ) берется, если подсчитываются потери напряжения для «отстающей» фазы, а (—)—для «опережающей» фазы. Выше было отмечено, что напряжение на шинах тяговых подстанции может претерпевать сильные изменения. На линиях железных дорог однофазного тока эти изменения различны по разным фазам. Для примера на рис. 83 приве- Ulii Уъс Ч* to 20 30 40 50 Г to 20 30 40 50 ?* I—I___I___I__1___±__Illi I I llv- Рис ВЗ. Выкопировка из лент регистрирующих вольтметров действующей тяговой подстанции переменного тока дени [37] кривые уровня напряжения на шинах 27,5 кв различных фаз одной из подстанций, записанные регистрирующими вольтметрами. Из кривых видно» что в отдельные моменты времени разница в напряжении по фазам достигает 7 кв, или примерно 25‘’6 от номинального уровня. На кривых рис. 83 отражены изменения напряжения, вызываемые ие только тяговой нагрузкой данной под- станции, но и нагрузками других подстанций в питающей линии передачи» § 17. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ всле-а^’Гвие отклонений напряжения в системе и по- р tlSJK? подстанции напряжение на ее шинах не остается постоянным. пошт™™^еЧИТЬ ^очно высокий и стабильный уровень напряжения, при помХ^X^n i^IeMePbL К НИМ относятся: регулирование напряжения трансЛоомапииуГУп1(>'₽^СМЫХ тРансФ°Рмат°Р°в (путем изменения коэффициента РЛИромние сеткаМИ ртутновыпрямительных агрегатов; в системе /естяил 5ГРУЗКИ. вызывающей огрицатсльные потери напряжения " !!?':сречиоЛ к°™'сащ'" реактивной монКюсти-синх- сопрот»|мсииясвстеиыТ1^?РКЫССаТаРе1,);у“е,<,’ши‘,,е'>б111сго,|,,дакт||1|||‘,го (установки продольной ктагевди)."ЫМ “u"™"“e" «идисаторных батареи обмсвяется1°®в^жкгаь'лщж«тьР<1г°'1’' нап₽яжи"1” а широких пределах шинах подстанций Ках г».. держать постоянно повышенное напряжение на пряжешш не Х..е n^Z^'0.^<S »’ шш 3 850 а, с poKvn°paSS™400'0B„ ™"я* ™<™яп>юго тока без рекупера- 132 ’ чиОО в, а на линиях переменного тока — 29 кв
Некоторое повышение напряжения с 3 300 в до пределов, допускаемых по условиям работы локомотивов, по существу, привело бы к соответствующему увеличению их мощности „ли, иначе, к увеличению скорости. Но если при этом возможные колебания напряжения сохранят свое значение, то макси- мальные напряжения выйдут за допустимые пределы. Поэтому пойти на это повышение напряжения можно только при одновременном обеспечении стабиль- ности уровня напряжения. Таким образом, регулирование напряжения важно не только для обеспечения нормальной работы при существующем номинальном напряжении» но и для возможности его повышения. Необходимо еще обратить внимание на то, что нетяговые железнодорожные и районные потребители питаются часто от тех же трансформаторов, что н тяговые, или их специальные трансформаторы присоединяются к тем же шинам подстанции, что и тяговые. Поэтому, рассматривая возможные спосо- бы и средства регулирования уровня напряжения, нельзя упускать из виду то влияние, какое оно окажет на напряжение этих потребителей. В настоящем параграфе мы будем рассматривать регулирование напряже- ния при помощи трансформаторов. В отношении сеточного регулирования можно заметить, что оно не нашло применения на наших тяговых подстанциях из-за значительного искажения формы кривой тока, увеличенного влияния на линии связи, снижения коэффициента мощности. Однако оно может исполь- зоваться в комбинации с регулированием трансформаторами, так как при этом диапазон сеточного регулирования будет небольшим [127]. Начнем рассмотрение с понижающих трансформаторов тяговых подстан- ций постоянного тока со ступенчатым регулированием напряжения под на- грузкой. Обмотки трансформаторов выполняют с ответвлениями, присоедине- ние к которым осуществляется специальным переключателем без разрыва цепи тока. На тяговых подстанциях приходится иметь дело с понижающими трансформаторами, работающими в точках первичной сети с различными уровнями подводимого напряжения. У таких трансформаторов ответвления выполняют, как правило, йа обмотках высшего напряжения. Это позволяет, изменяя число витков первичной обмотки в соответствии с изменением нап- ряжения питающей сети, поддерживать более или менее постоянное напря- жение на вторичной стороне. Регулирование напряжения на первичкой стороне используется и для того, чтобы подводимое к первичной обмотке напряжение не превосходило значений, указанных для каждого ответвления на щитке трансформатора, на величину более 5%. В противном случае возрастают намагничивающий ток и реактивная мощность, увеличивается искажение кривой напряжения. На трансформаторах, используемых на тяговых подстанциях постоянного тока железных дорог, применяют широкие пределы регулирования под наг- рузкой— до (4- 10%) —(—15%) [123]. На железных дорогах СССР тренс- форматоры с регулированием под нагрузкой получают все большее распро- странение [33, 34, 35]; применяются пределы регулирования ± 4 х 2,5 % = = ± 10%. Контактный переключатель приводится в д вижение приводным механизмом (электродвигателем). Число переключений, допускаемых в период между осмот- рами медных контактов колеблется от 6500 до 16000 при токах 100—200 а (для трансформаторов мощностью 15—20 Мва). Для металлокерамических и комбинированных контактов эти цифры вырастают до 40000—100000 пере- ключений. Число переключений между сменами масла в баке контакторов допускается в пределах 10 000—12000. Приводной механизм приходит в дей- ствие по команде от реле напряжения. Чтобы избежать переключений от слу- чайных кратковременных изменений напряжения, в системе автоматики пре- дусматривается элемент, обеспечивающий выдержку времени. На рис. 84 и 85 схематически показан порядок работы схемы автомати- ческого регулирования напряжения под нагрузкой [36]. Если в процессе свое- го изменения напряжение превзошло некоторый уровень 2 (рис. 84) и в течение времени G остается выше уровня 7, переключатель приходит в действие и через 133
«собственное» время работы 1г производит переклкяение. Если время t < tt (на рис. 84 справа), переключение не происходит Во избежание возникновения явления «качания» зона нечувствительности реле берется шире ступени регули- рования на 26 (см. рис. 84). Регулировку автоматики переключения стремятся выполнить так, чтобы получить необходимый эффект от регулирования при минимальном числе срабатываний переключателя. Это достигается путем ра- ционального выбора среднего уровня регулируемого напряжения, зоны не- чувствительности и выдержки времени. На рис. 85 показаны графики изменения напряжения трансформатора со ступенчатым регулированием при увеличении выдержки времени и ширины зоны нечувствительности. Чем меньше выдержка времени и зона нечувстви- тельности, тем чаще будет работать устройство и быстрее изнашиваться, но тем стабильнее будет уровень напряжения. Само собой разумеется, что под- держиваемый уровень напряжения не может быть абсолютно постоянным в будет колебаться в пределах диапазо- на нечувствительности даже при 4=0 (рис. 85, б). На промышленных и районных подстанциях применяют выдержки времени порядка 40—60 сек. Зону нечувствительности обычно принима- ют не менее 120+140% напряжения ступени. Если величина ступени 2,5%, Рис 84. Изменение напряжения прн ступенчатом регулировании его под на- грузкой /—1Ю»|нлльяс№ напряжение реле: 2~з—еоаг- 11 уровни срабаты- л ' 1 ~S0Ha Удерживания реле- 5 — ишг <5,”*awVw ступень ретулироьа- переключателя. Л - ееличян.ч ступени регулирования; '—погрешность реле Рис. 85 Графики изменения напряже- ния трансформатора со ступенчатым ре- гулированием при увеличении выдержки времени и ширины зоны нечувствитель- ности: а—без рсгулпроппния; С—с Гпсгулпроеанпем и выдержкой времени е—то же. по /,>/,: г—то же. но /ж > I,; й—с выдержкоЛ време- ни г,. по увеличенной зоной исчувствитклыю- сти; в—число переключений переключателя регулирования бь’ч(^''лпАПпТ-,"адс,''Я рав,10Й 3,0+3,5%. При этом точность о , Оуд определяться величиной +(1,5— 1 75)% Как показывает практик зона нечувствительности получается величиной +(1.5—1 75)% 1^1»пор!июХ’^Гб?^^’^!.л?ше’я‘е 30ИЫ нечУвствительностн вызывает о том, ЧТО следует остооожиг, чс’’“е числа переключений. Эго говорит мерное увеличение чины «а JS?XOJlHTb к ее Уменьшепию. Естественно, и чрез- числа переключений а вп-пт^ВЫХ’ 116 дает пРопоРиионального уменьшения менення регулирования ° °рь Х’ Может вообще свести на нет эффект от при- ния папряже1п?я1могут1бтт ”еЙ Регу,””Р0Ваиия Для повышения и поииже- наблюдается более си пьнгю п£?™1ЧНЫМН' На тяговых подстанциях, где обычно ные пределы регулирования г ЛАпкС напРЯЖения» применяют и пссимметрнч- напряжение. улироваиия с ббльшим количеством ступеней, повышающих нии и, как ^'г ,,апРяже,шя ПР” регуллрова- ]34 а пеРеключений является технико-экономяче-
ской задачей. Для ее решения необходимо располагать методом, позволяющим определять средний уровень напряжения и соответствующее число переключе- ний для различных условий движения (число поездов, их вес и т. п.). Пока можно лишь ориентироваться на статистические данные, полученные для определенных конкретных условий. Согласно проведенным на двух дорогах исследованиям [33—35], при сту- пени 2,5% и изменении выдержки времени с 1 мин до 2 мин число пере- ключений на резличных подстанциях уменьшалось с 50—100 до 7—14 иа первой дороге я с 220—230 до 24—32—на второй. Первая дорога характе- ризуется большими размерами грузового движения и равнинным профилем, а вторая—пригородным движением и резким изменением нагрузки. На рис. 86 для примера показана зависимость количества переключений от величины выдержки времени. Кривая получена в результате обработки гра- фиков изменения напряжения на тяговых подстанциях ряда дорог. При параллельной работе нескольких трансформаторов на одной подстан- ции во избежание появления большого уравнительного тока приходится приме- нять схемы, обеспечивающие одновременное переключение регуляторов всех трансформаторов. Даже прн разности напряжений в одну ступень регулирова- ния, т. е. в 2,5%, при = 6^7% получается уравнительный ток порядка 20% номинального, а при разности напряжений в 5% он возрастает до 40% номинального. Устройство регулирования напряжения под нагрузкой за- метно увеличивает стоимость трансформатора. Так, для транс- форматоров с переключающей аппаратурой в обмотках 110 кв коэффициент удорожания (по сравнению со стоимостью такого же трансформатора без регули- рования) лежит в пределах 1,104-1,75. Несколько слов о так на- зываемом встречном регулиро- вании, прн котором напряжение на зажимах вторичной обмотки увеличивается по мере увеличения нагрузки. Встречное регулирование рассчитывается так, чтобы у ближайшего потреби- теля напряжение не вышло за допустимые пределы. В условиях тяговых подстанций, когда потребитель (электровоз) может оказаться в непосредствен- ной близости от подстанции, встречное регулирование не может быть использовано. В последнее время все большее внимание привлекают к себе трансформа- торы с подмагничиванием сердечников постоянным током [35). Такие трансфор- маторы позволяют при неизменном первичном напряжении изменять вторичное в широких пределах —до 50% от номинального. Преимуществами такого способа регулирования является отсутствие контактного переключения, прак- тически безынерционность действия (в пределах установившихся режимов), удобство автоматизации управления. К недостаткам следует отнести увеличение расхода активных материалов, увеличение потерь энергии и расхода реактив- ной мощности. Однако полная оценка этого способа регулирования возможна только с учетом эффекта, вызываемого применением этих устройств, учитывая все выгоды стабилизации напряжения у потребителя. Наибольший эффект от применения трансформаторов с подмагничиванием можно ожидать в условиях, когда напряжение подвержено частым изменениям случайного характера, т. с. в условиях, характерных для электрической тяги. Однако пока еще трансфор- маторы с подмагинчнванием строятся на малые мощности, недостаточные для применения их на тяговых подстанциях. Рис. 86. Зависимость числа переключений уст- ройства регулирования напряжения под нагруз- кой от выдержки времени N—число переключеинб п сутки; t—выдержка времен!»
особен^» 1ЮГ0 тока. Изложемые Iпод нагрузкой в условиях, когда иа- KZKZ „аиряжешя я. фпдарах подстанции, питающих смех- Рис. 87. Гистограмма напряжения на вторичной стороне трансформатора тяговой подстанции переменного тока- -. без регулирования напряжения; с регулированием напряжения под ппгруэкой иые фидерные зоны: напряжение опережающей фазы выше напряжения на от- стающей фазе. Особенно заметно это проявляется при схеме соединения транс- форматоров Y/Д (см. рис. 82). На существующих трехфазных трансформаторах с типовой схемой автома- тики регулирование напряжения под нагрузкой осуществляется по измерению напряжения в одной фазе (что при симметричной трехфазной нагрузке не приво- дит к каким-либо ошибкам в работе). Расчеты показывают, что напряжение на опережающей фазе может быть и выше, и ниже напряжения на третьей фазе, поэтому использовать типовую схему автоматики невозможно, так как при Рис 88. Среднечасовые напряжения на от- стающей фаве тяговой подсташшн г.ерсмеиного тока t—Оез регулирования напряжения; 2—с регулиро- ванием выйти за допустимые пределы. Для устранения этого явления была предложена схема автомати- ки [371, реагирующая на напря- жение двух фаз (опережающей и третьей). Были проведены испыта- ния схемы на одной из подстанций Горьковской железной Дороги [381; выдержка времени принималась равной 1 мин. Полученные опыт- ные данные сведены в гистограмм}' рис. 87. Из гистограммы видно, что средний уровень напряжения не- сколько повысился, но диапазон колебаний почти не изменился. Анализ работы схемы привел К ..„„mv f47i .. анализ раооты схемы привел к вывод} ы/j, что при рекомендованной заводом выдержке времени 1 мин, 2-5% " УПОМП|1УТО'1 схеме яшомэтикв (то папряжипю ’ л™по тот™ J'Pooem напряжения повышайся всего па 2-5%. Для ярнмюа на рис. 88 показано изменение напряжения (среднечасового) без нее (кривая 7). По кривым видно, что в период наиболее сильного понижения 136
напряжения, т. е. когда особенно необходимо действие регулятора, повышение напряжения невелико, хотя в среднем за сутки оно повышается на 5% При высоких затратах на устройство регулирования полученный эффект, конечно, недостаточен. В рассматриваемом случае регулирование напряжения осуществляется на первичной стороне трансформатора в зависимости от уровня напряжения на вторичной (тяговой) стороне. Однако это не может привести к недопустимому повышению напряжения на третьей районной обмотке, так как реактанс тяго- вой обмотки незначителен. Первичная обмотка имеет реактанс, равный 10,65— 11,55%, тяговая (-0,35)4- (+0,35)%, т. е. примерно 0, и третья (районная) 6,28-? 6,35 % (см. § 32). Поэтому при изменении тяговой нагрузки данной под- станции потерн напряжения, в основном, получаются в первичной обмотке и питающей системе, т. е. в элементах, оказывающих влияние и на уровень напря- жения в районной обмотке трансформатора. Само собой разумеется, такай схема не будет учитывать понижение напряжения на районной стороне от потерь в третьей (районной) обмотке. Как будет ниже отмечено, не повлияет она и на несимметрию напряжения на районной стороне. В связи с невозможностью получения заметного эффекта регулирования напряжения по всем трем фазам, естественно, возник вопрос о целесообразности пофазного регулирования. Для трехфазных трансформаторов со аторичной обмоткой, соединенной в треугольник, сумма напряжений всегда будет равна нулю (а следовательно, будет равно нулю напряжение нулевой последовательности)' C'.e+t/to+£>„=0. (102) При применении пофазного регулирования коэффициенты трансформа- ции по фазам kA, kB и kc будут различны и, следовательно, выражение Ua+Ub+Mc— Uat-i-kB ^C^t>e (№3) не будет равно нулю. Равенство нулю возможно только при А отсюда и напряжение нулевой последовательности 0'1«>=|(ШЧ-Сг + Ое) не будет равно нулю. Таким образом, при пофазном регулировании появляется напряжение нулевой последовательности [37]. Как известно, в этом случае во вторичной обмотке, замкнутой в треугольник, будет циркулировать ток нулевой после- довательности, который в отдельные моменты времени может достигать значе- ний, равных номинальному току трансформатора. В обмотках, соединенных в звезду без нулевого провода (первичной и районной), при одной обмотке, сое- диненной в треугольник, сумма токов всегда равна нулю, т. е тока нулевой последовательности быть не может. Тогда, из условий магнитного равновесия нетрудно прийти к выводу, что токи пулевой последовательности, цирку- лирующие по вторичной обмотке, создадут магнитные потоки, совпадающие по фазе и, следовательно, замыкающиеся через кожух трансформатора. Таким образом, эти токи будут целиком токами намагничивания» создающими в пер- вичной и вторичной обмотках напряжения нулевой последовательности. Это явление связано с перегрузкой вторичной (тяговой) обмотки токами нулевой последовательности и с большими потерями от вихревых токов в стенках ко- жуха трансформатора. Аналогичные результаты получаются и при схеме трансформатора Y/Д/Д. Таким образом, пофазное регулирование, очевидно, практически может быть использовано только при применении на тяговых подстанциях однофазных трансформаторов, в частности, соединенных в откры- тый треугольник. В этом случае каждая фидерная зона питается от своего трансформатора и указанная выше сложность отпадает. Как уже отмечалось выше, трехфазная районная нагрузка при этом должна питаться через отдель- ные трехфазные трансформаторы. J37
Наконец надо обратить внимание еще на одну особенность использования трансформаторов с регулирован..ем напряжения на линиях железных дорог переменного тока. На наших дорогах применяется схема питания с параллель- ной работой подстанций по тяговой сети. В результате неравенства напря- жений иа вторичной стороне смежных подстанций, вызванных, например, неодновременной работой регуляторов, возникает уравнительный ток между подстанциям» Тяговая сеть, в основном, обладает реактивным сопротивлением, поэтому уравнительный ток будет иметь, в основном, реактивную составляю- щую Эта поведет к понижению напряжения на подстанции с повышенным напряжением и к повышению напряжения на подстанции с пониженным нап- ряжением (которая питает как бы нагрузку с опережающим током). Таким образом, уравнительный ток приводит непосредственно только к перераспределению реактивной составляющей нагрузки. Следовательно, если бы мы пожелали изменить распределение активной нагрузки между смежными подстанциями, например, увеличить нагрузку левой подстанции н уменьшить нагрузку правой, и стали бы повышать напряжение на левой подстанции (по- добно тому, как мы поступили бы в случае постоянного тока), то не получили бы желаемого эффекта, так как перераспределилась бы, в основном, лишь ре- активная часть нагрузки. § 18. ПРОДОЛЬНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ Напряжение на локомотиве переменного тока изменяется вследствие по- терь в системе, трансформаторах подстанции и тяговой сети, где основной яв- ляется индуктивная составляющая сопротивления. Идея продольной компенсации заключается в уменьшении этого сопротив- ления путем включения емкости последовательно с нагрузкой (такие схемы нашли применение в сетях энергосистем СССР и за рубежом). Схема замещения, распределение в ней напряжения и соответствующая векторная диаграмма показаны на рис. 89. Здесь Xs н — индуктивное и активное сопротивления системы от источника питания до места расположе- ния установки продольной компенсации; Хс— сопротивление емкости; Ult U« и Use —напряжения в начвле и конце линии, последние — до и после установки продольной компенсации. На рис. 89, б показаны уровни напряжения в соответствующих точках. В .месте расположения установки продольной компенсации напряжение скач- ком увеличивается на величину &Uc, представляющую собой арифметичес- кую разность между напряжением и U-,. На векторной диаграмме рис. 89, е цифрами указан порядок ее пост- роения Здесь /—ток нагрузки; фге— угол сдвига фаз между током / и напряжением с ос. Вектор падения напряжения в емкости /Хс отстает от ‘ ™ 90 добавляясь к вектору U2C. дает Us. Угол сдвига фаз емклгткш^у Пп с₽авиеиию с углом <р2с за счет мощности, потребляемой пеяктивипй иачале « Угол (рх опять увеличивается за счет потерь реактавной мощности в индуктивности системы Xs- жет С вектоРной Диаграммой рис. 89, е потеря напряжения мо- жет оыгь представлена выражением AL/=/Xssinq)2c+//?sCoS4)2C - 1XC япф2С. Д1/=/ [/?й. cos 4>2C+(XS — Хс) sin 92С]. (104) противдепиемИи о^начак^чер? ZСК°бКИ’ иазь1Ва,от составным со- Zc=^scos4>2C-}-(Xs —Хс)«1Пф2С, (Ю5) "отерю л» "у™» 138 или
Основная идея продольной компенсации заключается в уменьшении ре- активного сопротивления системы, однако одновременно уменьшается и угол сдвига фаз в начале линии, что улучшает коэффициент мощности в системе. Установка продольной компенсации (УПК) Хс (см. рис. 89, с) в принципе может располагаться в любой точке на протяжении от центра питания 1 до потребителя (электровоза) 2. В зависимости от места расположения условия работы н влияние ее на уровень напряжения у потребителя будут разными. На рис. 90 показаны возможные места расположения устройств продольной компенсации для наиболее простой схемы питания тяговых подстанций от ли ннн передачи. Перепад (скачок) напряжения на емкости пропорционален току, протекающему через нее. Если через емкость протекает ток только данного потребителя, то и скачок напряжения зависит только от тока этого потреби- теля. Если же через емкость протекают токи и других потребителей, то пере- а) х$ *с 1 ffic ' fl <4 Чге 2 J_________________________I______1___________. 9 Рис. S9. Продольная компенсация: /г -схема замещения, диаграмма; ‘ С—диаграмма распределения напряжения; е—вентерная —пнтающчП центр; 2 — потребитель (электровоз) пад напряжения зависит уже и от них. При этом надо учитывать, что напря- жение за емкостью Лс «с должно быть выше допустимого для оборудования, присоединяемого в этой точке. Следовательно, нельзя в «запас» выбрать емкость так, чтобы компенсировать потерн напряжения для удаленных пот- ребителей, так как тогда у баижайшего потребителя (на трансформаторе подстанции или электровоза) напряжение выйдет за допустимые пределы. При расположении устройств продольной компенсации в точках 7\ 7П, /ш и /iv (см рис. 90) через емкости будут протекать суммарные токи подстан- ций и компенсироваться будут только потерн напряжения в линии передачи до соответствующей подстанции и только от тока, протекающего через дан- ную емкость Например, при расположении Хс в точке /«« для подстанций № 3 а'дс, 4 будут скомпенсированы потери в линии па длине от питающего центра до подстанция 3 от токов подстанций № 3 и №4.
Прпр— “к7'|1р"₽°Х. распможении. естественно. ие удастся скомпилировать по- ' ДО данной подстанции от .иWaoK других подстан- ЧМЙ и потери ДО других подстанций от нагрузки данной. Zi i? выбрить Хе с некоторым запасом так, чтобы в известно» мерс скомпсиенровать потери в Линин оттоковдругих подстанций Однако при этом гоиходптси иметь в виду, что увеличение нагрузки данной подстанции нои отсутствии ее (или малом значении) на смежных может привести к надопу. CJHMOMV увеличению напряжения на этой подстанции. В этом случае, очевид- но необходимо уметь определить минимальное значение нагрузок от осталь- ных подстанций, которое может появляться столь часто, что с ним придется Рнс. SO. Схема возможного расположения устройств продольной ком- пенсации. /— линия передачи высокого напряжения; //—тяговые подстанции; 111—контакт- ная сеть. IV—рельсы; V—электровоз считаться. Решение такой задачи может быть найдено только методом мате- матической статистики и теории вероятностей. В настоящее время такой метод расчета только еще разрабатывается. При расположении устройств продольной компенсации в точках 3 (на фидерах, питающих контактную сеть) можКо скомпенсировать дополнительно еще и потери в трансформаторах подстанции. Если применяются однофазные трансформаторы, то Хс можно включить вместо питающего в обратный провод и полностью скомпенсировать потери в трансформаторах подстанции. Если однофазные трансформаторы используются в схеме открытого треу- гольника, потери в каждом отдельном трансформаторе компенсируются вклю- чением Хс на фидерах. При схеме Y/д можно скомпенсировать только потерю напряжения в обмотках, вызываемую токами данного фидера. Потеря же на- пряжения от нагрузки на смежной фидерной зоне (положительная для зовы, итающеися от отстающей фазы, и отрицательная для зоны, питающейся от опе- режающей фазы) не будет скомпенсирована. Можно, правда, рассчитать ком- п!пи»Ц,1Ю С иекотоРым запасом в соответствии с соображениями, изложенными выше о влиянии других нагрузок. „П1, ^“®енсация индуктивных потерь напряжения может быть достигнута и тпкти^П(^е'?еНН0М Размеи»еиии установок продольной компенсации па кон- тактной сети (в точках 5, рис. 90). расп^^е^пйВИ»пПредстав,11Ъ себе нагРУзкУ «а фидерной зоне равномерно миться к гпямпйТпи^)И,,аЯ ”апРяжения вдоль по фидерной зоне будет стрс- саинн (оисР9П С Увеличе,|нем числа установок продольной компен- утшгоованном «мЖ Ь сплошиой линией показано изменение напряжения (в утрпроВДаль линии без УПК и пунктирной - с УПК. «а Р^ ’ д Двух, а на рнс. 91, б —для четырех установок.
В реальных условиях при перемещении одного или нескольких поездов по фидерной зоне картина изменения напряжения значительно усложняется Эго объясняется прежде всего тем, что при сосредоточенных емкости х сопротив- ление сети при движении поезда изменяется не только в зависимости от рас- стояния до подстанций, ио и в большей степени в зависимости от расстояния между смежными УПК. Например, если допустить, что каждое УПК компен- сирует индуктивное сопротивление сети соответствующего участка между УПК. то при движении по фидерной зоне активное сопротивление будет зависе.ть от расстояния поезда до подстанции, а индуктивное от расстояния между смеж- ными УПК- Однако при достаточно частом расположении УПК, а следователь- но, и относительно незначительной величине Хс эти соображения не сыграют особой роли. Рнс. 91. Напряжение в тяговой сети UKc. при распределенном размещении УПК и равномерной нагрузке в фидерной зоне: о—при двух УПК; б—при четырех УПК Из рис. 91 видно, что при проходе УПК напряжение на электровозе будет изменяться скачком и тем большим, чем больше емкость ХС- Поэтому Хс не может быть больше определенной величины, определяемой допустимым скач- ком напряжения на электровозе. Зная емкость каждой УПК. можно для задан- ной степени компенсации найти число и расположение их или. наоборот, задавшись их числом, найти степень компенсации. На двухпутных участках переменного тока потери напряжения в контакт- ной сети индуктируются и токами смежного пути. Эти составляющие, естест- венно, компенсироваться ие будут. Наконец, последним местом расположения УПК на нашей схеме (точка 6 на рнс. 90) может быть сам электровоз. В этом случае можно полностью компенсировать индуктивные потери напряжения до электровоза, но, конеч- но, нельзя повлиять потери от всех других нагрузок этой и смежных фа- дериых зон. Поскольку электровоз в течение значительного времени находится в депо, да и в движении не всегда потребляет ток, использование установок будет невысоким. К тому же расположение УПК на электровозах в условиях весьма стесненных габаритов, ограничения веса и т. п. не очень удобно. Все это делает последний способ практически малоприемлемым. Неоспоримым преимуществом продольной компенсации является авто- матичность и безынерционность се действия по компенсации реактивных сос- тавляющих потерь напряжения. Эго качество особенно ценно в условиях рез- ких и случайных изменений, т. е. как раз в условиях тяговой нагрузки. По- лезно выяснить, не оказывает ли продольная компенсация каких-либо вред- ных влияний на электроподвнжной состав. В исследованиях, посвященных воп- росам продольной компенсации (37 [, (40 (, справедливо отмечается, что, не- смотря па большое содержание гармоник в составе тока электровоза с ионными преобразователями, падение напряжения в конденсаторах практически имеет синусоидальную форму. Объясняется это тем, что емкостное сопротивление И1
обратно пропорционально частоте (хс = Др) , поэтому чем выше порядок гармоники, тем ниже сопротивление, и, следовательно, меньше падение напря- жения, вызванное этой гармоникой тока. Отсюда можно сделать вывод, что включение устройств продольно!! ком- пенсации повышает напряжение и не увеличивает искажения кривой напря- жения на подвижном составе, т. е. на электровозах и моторвагонном под- Рис. 92 Гистограмма напряжения иа под- станции переменного тока с УПК. о—па шинах подетэяпив (до УГ1Ю- б—иа фидера (после УПК) важном составе Напряжение па установке продольной компенсации, как явствует из из- ложенного, растет с увеличением протекающего по ней тока. Поэтому при ко- ротких замыканиях напряжение может достигать опасных значений, тем более, что применение продольной компен- сации ведет к увеличению тока ко- роткого замыкания. Для устранения пробоя конденсаторов параллельно им приходится включать разряд- ники. Кроме того, применение продоль- ной компенсации приводит н к неко- торым другим усложнениям. Так, зна- чительное уменьшение сопротивления линии при параллельной работе под- станций приводит к увеличению урав- нительных токов (см. § 20) и в неко- торых случаях может сделать парал- лельную работу нецелесообразной. Усложняется система энергоснабже- ния, появляются новые коммутацион- ные устройства. Все это говорят о том, что вопрос о целесообразности ее применения мо- жет быть решен только на основе тех- нико-экономических расчетов При проведении испытаний УПК 138] на фпдере подстанции с транс- форматором, соединенным по схеме Y/A, были записаны напряжения на шинах (до УПК) и на фидере (после УПК)- На основании этих записей по- строены гистограммы рис. 92. Из ги- стограмм видно, что минимальные на- пряжения заметно увеличились (более чем на 2 кв). Здесь наиболее сильно сказывалось понижение напряжения от нагрузки данной фидерной зоны. Заметно меньше увеличились макси- мальные значения (менее чем на 1 кв). В это время нагрузки обычно меньше и действие У11К менее заметно. Средние значения напряжения, располагающие- ся около максимального значения повторяемости (частоты), повысились при- мерно на 1 кв уп°мя"*'гь и о том, что установка продольной компенсации одпо- значительно уменьшить несимметрии напряжении. Этот вопрос будет более подробно рассмотрен в главе IV. ппп 1неклтпп^а?,ИЯХ уста1ю ки продольной компенсации было подмечено, что МИО ’i ВОЭМ|каЛ1' субгармонические колебания тока с час- агаоЛю ^гшоввеХ"' Л частоты. На этом вопросе мы также более подросло остановимся в главе IV. г 142
§ 19. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ И ЕГО УЛУЧШЕНИЕ (ПОПЕРЕЧНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ) Из электротехники известно, что для большинства потребителей перемен- ного тока нормальная их работа связана с потреблением реактивной мощности Эта мощность может вырабатываться как в синхронных генераторах электри- ческих станций, так и на специальных компенсирующих устройствах (синх- ронные компенсаторы и конденсаторные батареи). Выработка одного юио- вольтампер-часа реактивной мощности на электрических станциях обходится в несколько раз дешевле, чем на компенсирующих установках. Однако в раз- витых энергосистемах, особенно при их высокой нагрузке, реактивные потерн в сетях и трансформаторах при выработке реактивной мощности в генераторах станций становятся соизмеримыми с величиной реактивной мощности нагрузки. Как известно, реактивная мощность, требуя затраты топлива иа электри- ческой станции только на покрытие вызываемых ею потерь, аместе с тем загрj - жает обмотки машин, трансформаторов, провода линий. В результате увели- чиваются потери энергии и» что особенно важно, уменьшается располагаемая мощность соответствующих устройств. Кроме того, реактивная энергия, проте- кая по элементам системы энергоснабжения, обладающим реактивным сопро- тивлением» вызывает дополнительную потерю напряжения на зажимах потребителя. То обстоятельство, что колебание реактивной мощности, необходимое для нормальной работы потребителя, можно сосредоточить в специальном контуре, освободив от нее полностью или частично питающий контур энергосистемы, привело к созданию ряда способов компенсации реактивной мощности Наи- большее распространение получили для этой цели конденсаторные установки. При этом конденсаторы включаются параллельно с потребителем (шунтовые батареи или поперечная компенсация). В СССР издано специальное постановление Совета Министров СССР [42], обязывающее на всех вновь сооружаемых предприятиях добиваться повыше- ния коэффициента мощности до величины 0,92—0,95. Коэффициент мощности в определяемый момент времени равен р k — °' 1,1 Vps • Р2 ’ где Ра( и Рр1— соответственно активная и реактивная мощность в момент времени t. Если перейти к средним значениям Ря и Рр за некоторый промежуток вре- мени Т. то р = . А’ 1 а — у где А, и А,— соответственно расходы активной и реактивной энергии за определенный период времени Т. Практически в настоящее время Аи и оцениваются по показаниям счет- чиков активной и реактивной энергии и, следовательно, оценка коэффициента мощности ведется по среднему его значению за период Т (так называемо.м\ средневзвешенному значению) А, ]'' 71а + Ар (Ю7) Полезно отметить, что такой метод оценки обладает существенными недо- статками. В среднем за некоторый период Т коэффициент мощности может быть до- статочно высоким и укладываться в требуемые нормы. Однако при малых на- грузках, когда напряжение у потребителя повышается, батареи поперечной ИЗ
QSt - компеисвцик (не меняющие своя емкости) вырабатывают значительно боть- “™ SkJyio мощность, тем самым еще больше повышая напряжение у потребителя. Происходит жперекомпенсация». В периоды максимальных на- грузок, наоборот, напряжение падает н эффект компенсации реактивной мощ- ности снижается (недокомпенсация). В результате в период максимальном на- грузки, несмотря на хороший средний коэффициент мощности, в системе может ощущаться недостаток реактивной мощности. Эго обстоятельство затрудняет н регулирование напряжения в системе. Безусловно, было бы весьма жела- тельно иметь конденсаторные батареи с регулируемой емкостью. Применение поперечной компенсации имеет основной целью разгрузку системы от реактивной энергии. Одновременно уменьшение реактивном мощ- ности ведет к улучшению уровня напряжения, так как уменьшаются потери напря- жения от реактивном на- грузки. Выше было показано, что при несимметричной нагрузке трехфазной системы па лини- ях железных дорог перемен- ного тока напряжение на опе- режающей фазе обычно боль- ше, чем на отстающей. При включении устройства попе- речной компенсации в отста- ющую фазу напряжения на отстающем и опережающем фазах выравниваются. При выпрямительных электровозах кривая тока имеет несинусоидальную форму. Коэффициент мощ- ности в этом случае определяется произведением v/cosq>x. где — коэффициент искажения кривой тока; Л*"ол сдвнга Ф33 между первыми гармониками тока и напряжения. Коэффициент мощности электровоза зависит от тока нагрузки (выпря- мленного тока la) и от соотношения индуктивностей в цепи постоянного и переменного тока Он зависит также от уровня напряжения на шинах беско- нечной мощности (т.е. в той точке сети, где мы считаем содержание гармоник незначительным). г Для одного и того же электровоза при его перемещении вдоль фидерной зоны изменяете" тшдуктаоиое сопротивление системы и, следовательно, из- л™?,ТФФ"Ш‘еНТ”01цисстп- На Р"с- 93 показано, как изменяется коэф- щт (431 ™ эл“тро“га;' ” зависимости от удаления его от полетай- иию*^™!!!!?,™а-*иЧ>ИОВ SO’ie Wllx поездов поведет как бы к увелпче- ите “ялуктппиости, подключенной к электровозу. Дналогнч- IT Т1<тег.-^'.ет<лз?о,11,и1с1,ие 11аПРяже1,кя на шинах бесконечной мощности. Р* УР [43] коэффициент мощности на вводах тяговой {тюдстаи- шш дается в функции двух показателей у'и г/ (рис. 94). причем ел----ii~~ ——L-~|2 (?«—I------------- cjo'—I———1—I——I———I О ID 20 30 W 50 60 70 80 90 1001 кн Рис 93. Изменение коэффициента мощности элек- тровоза Каэл о зависимости от расстояния / от подстанции до электровоза- »—п:.-прпи.1сппыЙ ток электровоза/эд^ I 320 а- 2— -IC8O0: 3—/и=’Ы0в (108) (109) 4 X • здесь /4 — среднее значение выпрямленного тока электповгпэ- ш /«-амплитудное значенне^тоха коротко,о з™Х“ > (109')
U‘~ оапряжеиис (действующее значение) пл первичной обмотке транс- форматора тяговой подстанции, приведенное к числу витков тя- говом обмотки; X суммарное а индуктивное сопротивление цепи переменного тока- — то же выпрямленного тока; q отношение индуктивностей цепей выпрямленного и переменного Практически коэффициент мощности на вводах тяговых подстанций пере менного тока колеблется в пределах от 0,75 до 0,85. Для повышения коэффи циента мощности электрической тяги переменного тока могут быть приме- нены те же средства, которые исполь- зуются в системах для других потре- бителей. Эго — синхронные компенса- торы, шунтовые конденсаторные бата- реи, питающиеся от системы крупные синхронные двигатели (если по усло- виям работы их можно использовать в режиме перевозбуждения). Практи- чески на тяговых подстанциях пере- менного тока используются конден- саторные батареи. Рассмотрим принципиальную схе- му поперечной компенсации приме- нительно к простейшей однофазной цепи с индуктивной нагрузкой. В этом случае схема замещения и векторная диаграмма получат вид, представ- ленный на рис. 95, где обозна- чено: Xs и Rs — индуктивное и активное сопротивление системы (от питающего центра до ме- Рис. 94. Изменение коэффициента мощно- сти на вводах тяговой подстанции kK от показателей и q (кривые 1—6 соответ- Ста установки кондепса- ствуют значениям ? от 2 до 7} торной батареи); Хс — емкостное сопротивление установки поперечной компенсации ПК; 7/, и 7Л— напряжения в начале (у питающего центра) и конце (в месте установки ПК) линии; /п — ток потребителя; 1с — емкостный ток; /— суммарный ток потребителя и емкости. Из векторной диаграммы рис. 95, б видно, что включенве емкости умень- шает угол сдвига между током и напряжением в начале линии, т. е. улучшает коэффициент мощности. Действительно, <р<ф'. Одновременно включение ем- кости уменьшает потери напряжения в системе с At/' (без емкости) до At/ (с включенной емкостью). Очевидно (см. векторную диаграмму рис. 95, б), A U= /п (Rs cos Фп4-Х« sin <рп) — Ic Xs. (НО) Из выражения (110) и из векторной диаграммы рис. 95, б видно, что соот- ветствующим подбором Хс (а следовательно, /с) можно свести потерю напря- жения к нулю и даже дать ей отрицательное значение. В последнем случае напряжение у потребителя станет выше напряжения у источника энергии. Применение поперечной емкостной компенсации на тяговых подстанциях (включение Хс на шинах 27,5 кв) создает условия для возникновения резо- нанса напряжений, так как емкость вместе с индуктивностью образуют коле- бательный контур. В данном случае этот контур имеет две параллельные ветви* 6 к. г. Марквардт * I
пчня ветвь состоит из индуктивности системы и трансформаторов подстанции, ’ индуктивным сопротивлением тяговой сета и электровозов. ₽У Пон увмшдая даряжештя скачком, которое происходит в момент ок№ " кшщм™ тилей электровоза, т. е. дважды за ода период, в коле йХком №™vpe возникает ток ’собственных говебатиш. Этот ток имеет по- частей может достигать значений, соизмеряемых с основным током. Как известно, резонанс напряжении возникает при Ль—Лс. т. е. при 2^=4с- (1,1) где L и С—соответственно индуктивность и емкость колебательного кон- тура. При заданных параметрах L и С частота, при которой возникнет резо- нанс, равна / =---(112) 2л|/£С Чтобы расстроить резонанс на всех гармониках: 3, 5, 7 и т. д., необ- ходимо для всего этого ряда нарушить условия резонанса (111). Рис. 95. Поперечная компенсация: а—схема замещения: С—векторная диаграмме Для этой цели последовательно с конденсаторной батареей включают [38j реактор (на рис. 95 показан пунктиром). Подобрав индуктивность реак- тора так, чтобы его индуктивное сопротивление для третьей гармоники fg == = 150 гц было равно емкостному сопротивлению батареи, т. е. Х13 ~ Хсз, можно быть уверенными, что индуктивное сопротивление всего контура для этой частоты будет превосходить емкостное, т. е реаонамс станет невозмож- ным. Для гармоник более высокого порядка индуктивное сопротивление будет увеличиваться, а емкостное падать, т. е. резонанс тем более будет невозможен. При нормальной частоте Л - - 50 гц сопротивление реактора X,, = а сопротивление конденсаторной батареи Хс, = ЗХса, поэтому общее сопро- "“перечной иятепсашш Хг,к, ведет иметь емкост- ”™ , ’Т При этом (с учетом равенства Хьз = Х„) сопротивление рык- тора для первой гармоники составит ' 1 Хч=4^С1. (113) 146
Однако наличие реактора проявляется как уменьшение общего емкост- ного сопротивления установки ПК. Для обеспечения величины ее сопро- тивления Хгвд » необходимой по условиям компенсации реактивной мощ- ности при Д = 50 гц, сопротивление конденсаторной батареи Хс; должно быть бо/. шс Хпк! на величину сопротивления реактора Х/.,: Хпк, = ХС1 -Хщ = ХС1--’- ХС1 « |-Xci, (114) откуда Xci=1,125 Хпк,. (115) Рис. 36. Схема включения устройств поперечной компенсации на тяговой подстанция: а — с одкофаввыии трансформаторами; б—со схемой соединения обмоток трансформаторов о открытый треугольник; в—с трохфаэиымк трансформаторами Y/л: / — линия передачи; 2—подстанция; 3—кон- тактная сеть; 4—рельсы; 5—устройство поперечной компенсации жения в цепи Хс. Хе (см. рис. 95), то напряжение на емкости Uc противоположно по фазе напряжению иа реакторе UL и, следовательно, Ut=Uc-UL, откуда согласно уравнению (113) получим U,= Uc-'s-Uc = luc. Следовательно, 1/C=l,125i4, (116) т. е. напряжение на конденсаторной батарее повысится на 12,5% против на- пряжения па шинах и при напряжении па шинах 27,5 кв достигнет величины Uc= 1,125-27,5= 31,0 кв. (116') Ток останется тем же, следовательно, на 12,5% увеличится н мощность кон- денсаторной батареи. На тяговых подстанциях шунтовые (поперечные) конденсаторы включают параллельно обмоткам трансформатора, от которых получает питание тя- говая сеть. При однофазных трансформаторах (рис 96, с) может быть вклю- чена только одна батарея конденсаторов. При схеме соединения обмоток транс- форматоров в открытый треугольник (рнс. 96, б) или звезда — треугольник 6* 147
(рис. 95, в) конденсаторные батареи могут быть включены параллельно двум обмоткам трансформаторов. Выше, в § 16, были приведены схемы замещения и соответствующие им векторные диаграммы для рассматриваемых схем соединения трансформаторов. Теперь в эти схемы замещения и векторные диаграммы придется вместо токов /л и /п ввести соответственно токи /л и /п, представляющие геометрическую сумму токов нагрузки и соответствующих конденсаторных батарей: /л-Лсг/сл (117) /п=Лт+/сп- (118) Для примера здесь приведена векторная диаграмма только для схемы Y/Д (рис. 97). Диаграмма построена как бы в развитие диаграммы рис. 82 путем добавления двух токов /ел и /сп (сдвинутых вперед па 90° относи- /сп (сдвинутых вперед па 90° относи- Рис. 97. Векторная диаграмма для подстанции с трехфазными трансфор- маторами Y/a н поперечной компенсацией телыю «своих» напряжений соответственно UA и—17с). Затем добавлены потери напряжения от /сл и /сп- Из диаграммы видно, что конденсатор- ные батареи, включенные как в «свою», так и в «соседнюю» фазы, дают уменьшение потерь напряжения (на рис 97 Д1-'л < Д1/л и ДС'п < Д^п, так как Д t/n < 0) и, следовательно, увеличение напряжения на соответствую- щих фидерных зонах. Однако влияние батареи смежном зоны при равных мощностях батарей в 4 раза меньшее. Действительно, от «своей» батареи в расчет входит ток 2/э 1с, а от соседней х/а 1С. Кроме того, вектор пер- вого из них располагается параллельно напряжению, а вектор второго по- вернут на угол 60° (cos 60° = -gj и, следовательно, потеря напряжения оттока батареи смежной зоны в 4 раза меньше. Рассматривалась возможность расположения поперечной компенсации на электровозе, однако вследствие низкого использования батареи, трудности ее размещения на электровозе, такой способ компенсации не нашел применения. Весьма интересен вариант расположения батареи конденсаторов в про- межутке между подстанциями, например, в постах секционирования. В этом случае могут быть дополнительно уменьшены потери энергии в тяговой сети и повышен уровень напряжения. Эго решение еще ждет своей опытной проверки Однако здесь целесообразно было бы иметь регулируемую установ- ку, так как в противном случае при малой нагрузке на фидерной зоне напря- U8____
жение может заметно увеличиться (так как мощность батареи растет с увели- чением напряжения). И, наоборот, при большой нагрузке с понижением на- пряжения эффект от батареи будет по той же причине сильно падать. Выше (см. рис 89) было отмечено, что некоторое уменьшение угла сдвига фаз дает и применение продольной компенсации. В условиях, когда коэффициент мощности потребителя практически мало зависит от уровня напряжения, это уменьшение угла сдвига фаз будет невелико. Еще меньше оно будет при питании таких устройств, как нерегулируемые трансформаторы и асинхронные двигатели, у которых с увеличением напряже- ния растет расход реактивной энергии. При питании электровозов с ионными преобразователями наблюдается обратная картина — с увеличением напряжения уменьшается угол сдвига фаз. И в этом случае эффект от применения продольной компенсации увеличива- ется. В литературе [401 имеются высказывания о возможности значитель- ного улучшения коэффициента мощности при помощи продольной компен- сации. Можно ожидать, что более полное решение будет получено при совместном ^пользовании схем поперечной и продольной компенсаций. § 20. ОСОБЕННОСТИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ НА ТЯГОВУЮ СЕТЬ В общем случае напряжение на шинах смежных подстанций не бывает одинаковым и, следовательно, по тяговой селг, как правило, долж цир- кулировать уравнительные токи. На участках постоянного тока с выпрямительными подстанциями прн от- сутствии нагрузок на линии неравенство напряжений иа шинах смежных под- станций, конечно, ие может вызвать уравнительный ток (из-ва вентилей на подстанциях). При появлении же нагрузки на фидерной зоне разница между напряжениями смежных подстанций приводит к перераспределению нагрузки между подстанциями, что можно рассматривать как появление уравнитель- ного тока. Неравенство напряжений смежных подстанций на линиях постоян- ного тока может быть использовано (с помощью устройств регулирования напряжения) для принудительного перераспределения нагрузки фидерной зоны между подстанциями. На линиях переменного тока уравнительные токи определяются разностью напряжений на подстанциях (по модулю и фазе) и полным сопротивлением тяговой сета. Эти токи могут циркулировать по тяговой сети и при отсутст- вии нагрузки на данной фидерной зоне. При этом ток одной из подстанций сдвинут по отношению к току другой на 180°. Неодинаковость напряжения на «тяговых шинах» подстанций определя- ется различием напряжения на вводах и различной величиной потерь напря- жения в трансформаторах самих подстанций. Если питание смежных подстан- ций осуществляется от различных энергосистем, то разность напряжения на вводах может достигать больших значений. При питании смежных подстанций от продольной линии передачи различие напряжений па смежных подстан- циях определяется потерями напряжения в самой линии передачи. В некоторых случаях уравнительные токи, плп, что то же, транзит мощ- ности но тяговой сети, могут привести к большим потерям энергии в ней и перегрузке подстанций. Вопросы, связанные с протеканием уравнительных токов на участках переменного тока, намного сложнее, чем на линиях постоян- ного тока. Остановимся на них несколько подробнее. Однако, прежде чем переходить непосредственно к уравнительным токам, рассмотрим одно весьма важное положение, касающееся несимметрично загруженных трех- фазных трансформаторов. Это намного облегчит нам расчеты уравнительных токов. ня
Если трехфазная группа составлена из отдельных трансформаторов, то при всех условиях, в частности, при несимметричном напряжении на пер- вичной стороне к несимметричной нагрузке на вторичной, не возникает сом- нений в соотношении напряжений и токов по фазам. Эти соотношения полно- стью определяются условиями магнитной связи между обмотками на каждом трансформаторе. Для трехфазных трансформаторов, у которых обмотки всех трех фаз свя- заны общей магнитной цепью, может возникнуть неясность в соотношении то- ков и напряжений по фазам. Однако можно показать, что и в этом случае каж- дую отдельную фазу многофазного трансформатора можно рассматривать как отдельный однофазный трансформатор [41]. Исходными при таком рассмотрении должны быть линейные напряжения на первичной стороне и линейные токи иа вторичной, в общем случае те и другие несимметричные (различные по величине и фазе) Итак, пусть линейные напряжения в питающей линии передачи около подстанции с трехфазными трансформаторами Y/д равны UAB, 0вс и &сл> токи линии — /д, 1ц и 1с. Не вызывает сомнения справедливость равенств: U л вс+ Uca=0 (119) и 1л+1в+'1с=0. (120) Для простоты дальнейшего изложения примем, что коэффициент трансфор- мации й|2 = !• Эго предположение, как известно, равносильно тому, что все параметры рассматриваемых трансформаторов принимаются приведенными к какому-то одному напряжению. Кроме того, будем считать намагничивающий ток равным нулю. Для вторичной стороны можно написать, что сумма линейных токов рав- на нулю, т. е. /«+!,+Ь=0. (12!) Так как во вторичных фазовых токах трансформатора отсутствуют состав- ляющие нулевой последовательности (основной гармоники), то справедливо равенство 4ф=0. (122) Для вторичной обмотки, соединенной в треугольник: а 1пф й=Ъ*—4ф! 4ф- Совместное решение уравнений (122) и (123) дает: '« = 4(1»-/.): (123) (124) л“"ейпых" 1МЗОГ'Ь|Х
токов совпадает с центром тяжести треугольника линейных токов. Действи- тельно, вектор !с— 1Ь делит вектор /о пополам и, следовательно, для треуголь- ника, составленного из векторов //> и 1С, совпадает с одной из медиан. Центр же тяжести этого треугольника лежит на любой из медиан на расстоянии Vs от основания или, иначе, на расстоянии 1/з всего вектора (7С— Л) от вер* шины С. В этой же точке О должны совпасть п остальные два вектора. Рис. 98. Векторная диаграмма токов (о) и напряжений (б) для трех- фазного трансформатора У/а Первичные токи определяются из условия равновесия намагничивающих сил (первичных и вторичных). Тогда: Следовательно, /лФ=^«ф; /вф= 761<,; 7сФ=/Сф- Лм>+ /сф=о. (125) (126) Так как первичная тка соединена в звезду, то линейные токи равны фазным. Обратимся теперь к напряжениям. Можно записать: и А — lA<t>Zr=Ua\ Vв — Z-r—(Jf,, Ос — Icq Zt=Oc, (127) где ZT— сопротивление трансформатора на фазу, приведенное к напряже- нию первичной обмотки. Вторичная обмотка трансформатора соединена в треугольник, поэтому сумма фазных напряжений в ней равна нулю </«+£(,+«4=0. (128) Следовательно, исходя из равенств (126) и (127), можно заключить, что и в первичной обмотке сумма фазных напряжений также равна ну- лю, т. е. Ua+Ub J-tic=O. (129) В первичкой обмотке линейные и фазные напряжения связвны равен- ствами: ^лв=Цд — О в’, 1 Ubc^Ob-Uc; I (130) 0сА~0с—Ua- I J5J
Тогда из равенств (129) и (130) можно найти 17д = з -(U АВ — УсаУ, tiB^=^(uBC~uABy, UС = -g' ФсА — Ubc)‘ (131) Отсюда можно сделать заключение (аналогично тому, как это было вделано в отношения токов), что центр звезды фазных напряжений первичном обмотки (при условии, что вторичная соединена в треугольник) совпадает с центром тя- «Of 1л“/иЛ»^я Л'°? ia ‘у Ряс 99. Схема протекания уравнительного тока в тяговой сети при подстанциях с трехфазными трансформаторами Y/д жести треугольника линейных напряжений ( рис. 98, б). Из изложенного мож- но прийти к выводу, что при схеме Y/Y/л или Y/Д/Л (т. е. при отсутствии составляющей нулевой последовательности) каждую фазу трансформатора при несимметричной нагрузке можно рассматривать независимо от другой, т. е. как однофазный трансформатор. Разберем теперь метод определения уравнительного тока в тяговой сети переменного тока. Для простоты определим уравнительный ток при отсут- ствии нагрузки на рассматриваемой фидерной зоне (рис. 99) н одинаковых коэффициентах трансформации у трансформаторов смежных подстанций Обозначим токи в линии до подстанции № I и после подстанции № 2 через 1А, 1Б к !с. Токи, ответвляющиесяиз липин передачи в первичную обмотку трансформатора подстанции № I и возвращающиеся в ЛЭП из первичной обмотки подстанции № 2, обозначим через lyA, 1уВ и /уС Как обычно в трехфазных сетях за положительное направление примем едина- д™ мехтРсх <!“• “а первой подстанции-от линии к подстанции, на второй — наоборот. Обозначим: Z,.i—сауотивление одной фазы линии передачи между подоттшяык сопротивление тяговой сети всех путей, соединенных параллельно ГиШ1' <“’• 5 1 ,МГи О Т0К О ТЯГОВОЙ СИ» С, |мспредслятя между обмотками ас и сЬ вместе с Ьа в апошешт 2: Час 'ЧсЬ % К
Следовательно, если в тяговой сети будет протекать ток то в обмот- 2 2 i ке ас iyOc = -giy, в обмотке А /уЛ = ——и в фазе Л линии передачи меж- 2 I ду постанциями — ток/л — — -— О «12 Так как нулевые точки звезд напряжений на обеих подстанциях не сме- щаются, то можно для фазы А нарисовать схему замещения в виде рис. 100, а, где все сопротивления я токи приведены к напряжению линии передачи Здесь Zt—сопротивление трансформатора иа фазу, приведенное к напря- жению первичной обмотки; ZKC— сопротивление тяговой сети, приведенное к напряжению пер- вичной обмотки трансформатора; Л12-—коэффициент трансформации (отношение числа витков первичной и вторичной обмоток иа одной фазе). Рнс. 100 Полная (с) и упрощенная (6) схемы замещения для определения уравнительного тока при трехфазных трансформаторах Y/ л Так как не весь ток тяговой сети попадает в обмотку ас, а нас интересует только контур фазы А, то условно показано ответвление х/з тока в другие об- мотки. Падение напряжения в замкнутом контуре схемы замещения будет рав- но нулю, т. е. ('--4 • &)«*- 4 • <132> Откуда г>=^Т7------Г- ' (133) -д /Ил+Ит1-г£т2 j+Zxc Как и следовало ожидать, уравнительный ток зависит только от парамет- ров первичной и вторичнойцепей и оттока 1А, распределяющегосяпопараллель- ным цепям. Из уравнения (133) нетрудно показать, что 3 • I Zt1+Zt2 + ~п Zkc 'а—-! у а =-----_—-------, (134) Гул т. е. распределение тока 1Л происходит как бы между двумя параллель- ными ветвям» (рис. 100, б) с сопротивлениями соответственно Zji и Zj, где Z,«ZT,+ZT! + -|z;c. (135) Для подстанций со схемой соединения обмоток трансформаторов в от- крытый треугольник вместо рис. 99 получим рнс. 101. Схема замещения 6В К Г- Марквардт
в этом случае будет иметь имеют тот же смысл, что и в • h случае lyл^-7Г_ ввд рис. 102, предыдущей а. Все обозначения здесь схеме. Только в данном Рис. 101. Схема протекания уравнительного тока в тяговой сети при подстанциях с однофазными трансформаторами Падение напряжения в контуре /, 2, 3, 4 (см.’рис. 102, а) будет равно нулю, т. е. I Ц--£-1гл-(/»+ЛЦгл—i-(zT,+z,:+z„)=o. \ Л12 / \ *12 / «12 Откуда '>=('Л-иТ2^г$Нэг- £/-Л Т I "Г *-Т2 Т £кс (136) (137) Подобно тому, как это было сделано для трехфазного трансформатора, и здесь распределение тока (/д — /в) происходит по двум параллельным ветвям (рис. 102, б), но в данном случае сопротивление 2у“£л4-2т1-}-2г2+2кс- (138) Во избежание ошибки следует помнить, что в схеме Y/Д коэффициент трансформации в у/З раз меньше коэффициента трансформация во второй схеме Рис. 102. Полная (с) и упрощенная (б) схемы замещения для определения уравнительного тока при однофазных трансформаторах V/V. т. е. Л12—УЗЛ]2- Аналогичные результаты, независимо от приве- денных в данном параграфе, несколько иным путем получены ипж. Ю. А Черновым [41]. § 21. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПРИ РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ па уЧрН тоРможени” поезда, движущегося под уклон, накопленная энергия НЯ п₽“|ЗВ°Аство некоторой работы. При пневматических тормозах накопленнУю им энергию на нагревание и разрушение (исти- рание) металла колодок и бандажей. Такой тормоз приводит к большим зат-
тратам металла н потерям энергии. Электрический локомотив дает возможность применить иной влд тормоза, так называемое электрическое торможение, ос- нованное на принципе обратимости электрических машин. При торможении на уклоне тяговые двигатели работают в генераторном режиме. и накопленная поездом механическая энергия превращается в электрическую, передаваемую потребителям. На фидерных зонах, где осуществляется рекуперативное тормо- жение, появляется подвижной источник энергия, который разгружает под- станции и повышает напряжение в тяговой сети, тем самым улучшая усло- вия работы локомотивов, идущих в тяговом режиме. Одновременно с этим уменьшаются потерн энергии в сети (речь идет о той части энергии, которая дается тяговыми подстанциями). Для надежного электрического торможения необходимо в любой момент иметь потребителя, готового принять количество электрической энергии, соот- ветствующее необходимому тормозному усилию. При рекуперативном торможении электрическая энергия, вырабатывае- мая тяговыми двигателями, передается через тяговую сеть потребителям (в первую очередь локомотивам, работающим в тяговом режиме); таким обра- зом, при рекуперации локомотив работает параллельно стяговыми подстан- циями. Эта особенность определяет условия работы электрического локомотива при рекуперативном торможении и создает совершенно особые условия для работы системы энергоснабжения. Рекуперативное торможение в СССР широко применяется на линиях постоянного тока, для чего на электровозах предусмотрено специальное оборудование. В настоящее время у нас уже имеются и электровозы переменного тока, способные работать в режиме рекуперации. На дорогах переменного тока, где подстанции оборудованы трансформа- торами, передача энергии по тяговой сети в линию передачи не встречает каких-либо трудностей, возникающих на участках постоянного тока. Кроме того, не накоплен еще опыт эксплуатации устройств энергоснабжения на ли- ниях переменного тока в режиме рекуперации, недостаточны еще теоретические и экспериментальные исследования в этой области. Некоторые специфические особенности работы системы энергоснабжения при рекуперативном торможении на линиях переменного тока изложены кратко (по указанным прачинам) в конце этого параграфа и § 11. Ниже все изложенное будет относиться к электрифицированным участкам постоянного тока. Наиболее экономичным при рекуперации является такой режим, при ко- тором вся вырабатываемая электровозом энергия передается находящимся поблизости локомотивам, работающим в режиме тяги. Однако даже при доста- точно густом движении на участке, когда работающие в режиме тяги локомо- тивы могут принять всю энергию, вырабатываемую при рекуперации, все же необходимо иметь резервные потребители. Такое требование определяется тем, что в отдельные периоды времени потребляемые токи могут оказаться недо- статочными. Тогда не удастся обеспечить выработку необходимого количества электрической энергии в не будет обеспечена необходимая тормозная сила. Если же в системе энергоснабжения предусмотрены приемники энергии, го- товые принять всю или необходимую часть выработанной энергии, то всегда будет возможность обеспечить рекуперирующему локомотиву необходимую тормозную силу. В качестве таких приемников могут быть применены: 1) преобразователи (двигатель-генераторы пли инверторы), при помощи которых энергия, получаемая из тяговой сети, может передаваться в пер- вичную сеть; 2) балластные сопротивления (так называемые поглощающие устройства), в которых получаемая энергия превращается в тепловую и рассеивается. На рис. 103 показан график нагрузки тяговой подстанции при применении на участке рекуперативного торможения. При положительной нагрузке под- станция работает как источник энергии. При преобладании токов рекупера- ции над тяговыми она работает как приемник энергии. 6В* 165
Часть энергии рекуперации, прием которой те обеспечивается локомоти- вами работающими в тяговом режиме, и которая должна быть принята спе- циальными приемниками энергии, называют избыточной энергией. Соответ- u * ственно токи, потребляемые этими Рис. 103. График нагрузки тяговой подстан- ции при применении на участке рекуператив- ного торможении приемниками (показанные на гра- фике рис. 103 ниже оси абсцисс), называют избыточными токами. Ве- личина избыточной энергии реку- перации находится в зависимости от характеристик приемников энер- гии и системы энергоснабжения в целом. Прн этом, чем меньше избы- точные токи (при одних и тех же токах рекуперации локомотивов), тем большая часть энергии рекупе- рации используется локомотивами, работающими в режиме тяги, и тем меньше необходимая мощность са- мих приемников. Что касается характера рас- пределения напряжения вдоль кон- тактной сети, то при отсутствии ре- куперации напряжение у нагру- зок всегда ниже напряжения хо- лостого хода тяговых подстанций (рис. 104, а), а при рекуперации оно может быть выше его как у нагрузок, так и на шинах тяговых подстанций (рис. 104, б). В последней схеме нагрузки с индексом г (генерирование) относятся к поездам, рекуперирующим энергию. Характеристики приемников избыточной энергии. Вольт-ампеопая । рие. ivo линией 1—1. к.ак видно из этой характера-
стики, при изменении тока б широком диапазоне изменение напряжения не- значительно. г Характеристика подстанции, оборудованной ионными преобразователями, представлена на рис. 105 линией 2—2. Ионным преобразователям свойствен более крутой спад напряжения прн увеличении нагрузки по сравнению с двн- гатель-генераторами. Различный наклон характеристики б правой и левой части обусловлен тем, что, как правило, для работы в инверторном режиме прислосооден всего один агрегат из числа имеющихся на подстанции (или не- большая их часть), в то время как в выпрямительном режиме работает обычно несколько преобразователей, включенных параллельно. Эго объясняется тем, что агрегаты, способные работать не только в выпря- мительном, но и в инверторном режиме, дороже и обычно необходимая мощ- ность подстанций в выпрямительном режиме больше, чем потребная мощность в инверторном режиме. Рис. 105. Характеристики тяговой подстанции" /—/—при двигатель-геясраторлх" 2—S— при конных преобразователях Рис 106. Плоская характеристика тяговой подстанции в выпрямитель- ном и инверторном режимах Путем дополнительного регулирования процессов инвертирования и выпрям- ления при помощи сеток можно при желании добиться как в инверторном, так и в выпрямительном режимах горизонтальной (так называемой плоской) харак- теристики (рис. 106). Для этой цели в выпрямительном режиме можно держать напряжение постоянным н равным t/0, начиная с некоторого значения нагруз- ки /1Г не давая ему увеличиваться при уменьшении нагрузки до нуля. Анало- гично при инверторном режиме можно от нуля до некоторой нагрузки /2 держать напряжение на уровне {/«»а затем (при желании) позволить ему увеличиваться. Как будет показано ниже, такие характеристики позволяют увеличить ток ре- куперации. Для работы в режиме рекуперации машинист электровоза переходит на схему рекуперативного торможения и увеличивает напряжение на электровозе до уровня, при котором устанавливается ток рекуперации, отвечающий требу- емому тормозному эффекту. При этом необходимо, чтобы процесс установления тока рекуперации имел устойчивый характер, т. е. повышение напряжения на электровозе должно сопровождаться непрерывным ростом тока и наоборот. Тогда, меняя напряжение, машинист будет иметь возможность свободно регу- лировать ток рекуперации, а следовательно, и тормозную силу. В простейшем случае схема будет состоять из одной подстанции и одного рекуперирующего электровоза (рис. 107), находящегося в конце участка. Пусть других локомотивов на линии нет и, следовательно, весь ток рекуперации поступает на тяговую подстанцию, т. е. является избыточным током. На рисун- ке: /е— ток рекуперирующего локомотива, — сопротивление тяговой сети между поездомн подставпией; 1А и Uc — соответственно напряжение на электровозе и на подстанции. Если (рис. 106) характеристика ОС приемного устройства такова, что напряжение па нем растет с увеличением тока (харак- теристика двигатель-генератора или инвертора), то устойчивая работа обеспе- чивается автоматически, поскольку повышение напряжения на электровозе (l/sb затем t/s2, Umax), приводит к росту тока рекуперации (Д, потом Zs, 157
CoOTiKTCTKirao понижение напряжения ведет к кии Максимально возможянВ ток рекуперации (/««) А™ рассматрипаемои схемы (см рис. 107) будет определяться положениями точек О D наклона 'н^гоудпо'прийтаГк вывозу. что увеличение крутизны характеристики ОС приемника жргпи приводит к уменьшению максимально тока рекуперации локомотаяа. Наоборот, е уменьшением наклона прямой ОС^очка С будет отодвигаться влево, т. е. максимально возможный ток рекуперации ло комотива будет расти. Таким же образом уменьшение наклона линии DC по- ведет к возрастанию максимально возможного тока рекуперации. Уменьшение наклона этой линии может быть получено путем уменьшения сопротивления Рис 107. Распределение уровня на- пряжения в линии при одной под- станции и одном рекуперирующем электровозе: А—подстанция Рис. 108. Диаграмма изменения напряжения и тока на электровозе и подстанции при екной характеристике инвертора тяговой сети. Поэтому увеличение сечения контактной сети или уменьшение расстояния между подстанциями в ряде случаев может позволить увеличить максимально возможный ток рекуперации. Величина напряжения (см. рис. 108), которая должна быть в сети у локомотива для установления тока рекуперации определится из выражения: (139) где ^[ — напряжение на шинах подстанции при избыточном токе /у (см. рис. 108) Если для увеличения тока рекуперации машинист увеличит напряжение до значения U3z, то соответствующее напряжение у подстанции можно найти, проведя наклонную прямую от точки С1э2 параллельно прямой U3l — Ct (см рис. 108). Эта прямая (1Д>2 — С2) пересечет характеристику подстан- ции в точке С2 и определит величину тока рекуперации /2 при напря- жении на локомотиве 142. Продолжая повышать напряжение на локомотиве, машинист в конце концов достигнет допустимого по условиям технической на- дежности максимального напряжения (Л™*. Проведя из этой точки прямую под тем же углом, получим пересечение ее с характеристикой подстанции в точ- ке С, абсцисса которой будет соответствовать максимально возможному току- рекуперации при принятых условиях. До сих пор рассматривалась наиболее простая схема, состоящая из одной подстанции н участка сети, питаемого с одной стороны при одном поезде. В дей- ствительности в подавляющем большинстве случаев приходится иметь дело со схемой двустороннего питания При этом и смежные фидерные зоны оказыва- ются соединенными между собой через шины тяговых подстанций /.,п,™^С«К0ГАпа падсганций работает в режиме приемника энергии (подстанция В —рис 109), повышение напряжения на ее шинах приводит 158
к появлению тока, текущего через шины в сторону смета,ой нолстакцш, - Л (при условии, что напряженке на подстанции А будет ниже). При этом к-купе- рирующий локомотив 1., может питать не только тяговые нагрузи,, Хащне па этой же фидерной зоне, но и нагрузки смежной фидерной зоны (через шипы ближайшей подстанции). Если при этом па подстанции В установится напри- жение^выше напряжения холостого хода, то она (при характеристике, представ- ленной на рнс. 10о) н сама начнет потреблять энергию. На рнс. 108 видно, что чем выше будет напряжение хол хода и, следовательно, чем выше располо- жится характеристика в инверторном режиме О'— С’, тем большая часть тока пойдет через шины подстанции к потребите- лям и тем меньшая часть будет приниматься на самой подстанции. Рис. 109. Схема расположения рекуперирующего элек- тровоза на участке с тремя подстанциями Рис. <10. К определению тока и напряжения приемника избыточ- ной энергии и электровоза Таким образом, увеличение напряжения на шинах тяговой подстанции при приеме энергии ведет к уменьшению избыточных токов, а следовательно, и к уменьшению необходимой мощности приемника избыточней"! энергии. Из всего сказанного ясно, что с изложенных точек зрения выгоден переход к такой характеристике, которая обеспечивает смещение точки С влево (см. рис. 108) и одновременно смещение точки О вверх. Нетрудно видеть, что в процессе такого перемещения точек С и О характеристика приемника избы* точной энергии ОС должна будет поворачиваться против часовой стрелки и, по- лучив наклон, противоположный рассматри- ваемому, будет приближаться к характери- стике DC. Вращая характеристику ОС против часо- вой стрелки, надо не забывать о выполне- нии требований, обеспечивающих устойчивую работу приемного устройства, т. е. о необхо- димости того, чтобы при всех условиях повы- шение напряжения на электровозе приводило к увеличению тока рекуперации и наоборот. Это требование может быть выполнено только при условии, если характеристика приемного устройства имеет более пологий характер, чем линия понижения напряжения на подстанции (на приемном устройстве), т. е. примерно так, как это показано на рис. 110. Здесь и___зависимость напряжения на шинах подстанции, представленная как разность между максимально достигнутым напряжением на элект- ровозе и потерей напряжения в сети и самом электровозе; б — характеристика некоторого приемного устройства, показывающая изменение напряжения на зажимах при изменении тока, потреб- ляемого этим приемным устройством; и'о— напряжение (точка О' на рис. ПО), при котором начинает работу приемник избыточной энергии; q___Т0ЧКа соответствующая напряжению холостого хода подстанции. Выбирая различное значение Оэ в пределах от Uo до Оэ1Пах, можно получить любое значение тока рекуперации от нуля до /Г1ах. Легко видеть, что если бы мы поменяли местами характеристики а и б, то, повышая напряжение па элект- ровозе мы получили бы уменьшение тока рекуперации. С уменьшением же тока рекуперации напряжение продолжало бы расти, вызывая дальнейшее уменьшение тока. В таких условиях работы схема получилась бы неустойчи- вой и машинист нс смог бы установить необходимый ему ток. При работе приемного устройства с характеристикой по рнс. ПО, пока напряжение на подстанции не поднимется до точки О' (т. е. в диапазоне от точ-
Рис. 111. Принципиальная схема включения приемника избыточ- ной энергии с балластным сопро- тивлением V. о гп точки О') приемчик избыточной энергии не включается » ток рекупе. — .вами, характеристике в большинстве случаев работа на участке оудет вестмеьоез S=*приемника энергии, а пыстшщпя как бы отключается н.« работает. Ппиметйтелыю к рис. 109 остаются включенными две пожтаиинн А и С, роль же третье» (В) Серст ги себя рекуперирующий электровоз. При этом обеспсчк- тоется ваяболеетисокий уровень напряжения и тяговой сети (однако в пределах Х?скаемого для локомотивов). И только в том случае когда не удастся получить необходимый ток рекуперации, машинист, стремясь его уве- личить, повышает напряжение на электровозе н соответственно на подстанции выше U'o в включает тем самым приемник избыточной энергии. Таким образом, если при характеристиках, показанных на рнс. 105, при- емник энергии рекуперации включается каждый раз, кактолько напряжение на шинах подстанции выйдет за пределы напряжения холостого хода, то при ха- рактеристике, представленной на рнс. 110, наоборот, созданы условия, при которых до предела уменьшена возможность включения приемной установки. В таком виде приемная установка выглядит не как постоянно дей- ствующая в эксплуатации установка, а как устройство безопасности, обеспечивающее по- лучение необходимого тормозного усилия при случайном отсутствии локомотивов, сле- дующих в режиме тяги, и не допускающая выхода напряжения в сети за пределы, опас- ные для локомотива. Естественно, что она и должна включаться при напряжениях, близ- ких предельно допустимым на локомотиве. Чем меньше будет работать приемная установка, тем лучше. Именно этому требованию и подчинена указанная характеристика О'С на рис. 110. Не подлежит никакому сомнению, что необходимая мощность приемного устройства с такой характеристикой при прочих равных условиях будет мень- шей по сравнению с необходимой мощностью приемников энергии, обладаю- щих характеристиками, приведенными на рис. 105. Меньше будет и величи- на избыточной энергии Характеристику, представленную на рис. 110, можно было бы получить, например, используя в качестве приемного устройства переменное плавно из- меняющееся балластное сопротивление Rc, подключаемое к шинам тяговой подстанции (рис. 111). При напряжении на шинах подстанции По (см. рис. 110) включался бы выключатель (см. рис. 111)н устанавливался бы не- который ток в сопротивлении Rc. При этом изменение сопротивления R6 нуж- но связать с током /с так, чтобы их произведение менялось по прямой б рис. по. Принципиально аналогичную характеристику можно получить и на инверторах, применяя сеточное регулирование [45] Вопросы работы инвенторов разбираются в специальных курсах поэтому ниже мы остановимся только на работе приемников избыточной энергии с бал- ластными сопротивлениями. Приемники избыточной анергии с балластными сопротивлениями. Устрой- ство плавно изменяющегося балластного сопротивления встречает большие трудности и взамен его применяют ступенчатое сопротивление (461. Рассмотрим условия работы такого приемного устройства Ппя кяияпя от“=’.ю‘и,М“ТС’' Т“^К0 ад"а СТуге"‘‘ в'простейшем случае (одна подстанция с балластным сопротивлением и опин рекупеоипм- ю«кй электровоз т лютик - см рис. 107) справедлив вьф Р И 160 (140)
соппотивлениемД ВКЬ Т°К РекУпеР«Ц»»>* принимается балластным сопротивлением, то ври напряжении на электровозе 6'э1 получим: ^с = ^э1 — /в Л (141) В балл“ сопротивлении. При постоянном напряжении на электровозе 0в, и изменении тока /б (путем изменения балластного сопротив- ления) величина Uc представится наклонной прямой а (рнс. 112). В действительности, однако, с увеличением тока 4 (если машинист не меняет возбуждение машин) напряжение самогоэлектровоза падает по его внеш- ней характеристике. В этом случае прямая а заменится кривой сл (см. рнс. 112). Дополнительное понижение напряжения Д(7Э определится снижением напряже- ния по внешней характеристике электровоза. Проведя из точки Л линию, параллельную а, до пересечения с осью ординат, найдем новое напряжение на электровозе lja2 при токе /б. Если на подстанции установлено постоянное балластное сопротивление, то его характеристика может быть представлена в виде прямой 0 — / (рис. 113). Здесь U„ — напряжение холостого хода подстанции; £/в1 — напряжение включения сопротивления. При увеличении напряжения на подстанции в диапазоне от Ь'о до U*i сопротивление нс включается и в схеме питания подстанция как бы вообще отсутствует. В этом диапазоне напряжение на электровозе и на подстанции все время будет одинаковым, так как потери напряжения в сети отсутствуют (предпола- гается что и других нагрузок на линии нет). Как только машинист поднимет напряжение на электровозе, а следовательно, и на подстанции до (7в1, вклю- чится балластное сопротивление и ток вырастет от нуля до некоторого зна- чения. Чтобы определить, какая же величина тока и напряжения установится после включения сопротивления, надо наложить рис. 112 на рис 113. Точка пересечения кривой с прямой 0 — I определит ток и напряжение на балласт- ном сопротивлении (рис. 114). Проведя прямую из точки А, параллельную линии а, до пересечения с осью ординат в точке В, получим напряжение на электровозе U„. Хапактепистмка включения ступеней сопротивления. Когда балластное сопротивление состоит из ряда ступеней (рис. 115), Должна быть обеспечена такая схема их включения, чтобы машинист, подни- мая напряжение на электровозе, тем самым вызывал автоматическое включение одной ступени за другой. При уже включенной первой ступени машинист, под- нимая напряжение, будет изменять ток в незначительных пределах по прямой Возш'кает вопрос, где на линии О — / должно быть выбрано напряжение включения второй ступени. Во-первых, оно должно быть выше напряжения 161
= того чем выше иаЯряжение включит», тем большая часть юдай я ТекЙдацйк войдет непосредственно к поездам, следующим в режиме тяга. С другой стороны, нежелательно идти далеко вверх, ибо в этом случае Рис. 114 К определению тока и напряжения при включении первой ступени приемника из- быточной энергии Рис. 115. Принципиальная схе- ма включения приемника из- быточной энергии со ступен- чатым балластным сопротив- лением будет уменьшена возможная разность между £4 max и £4. а следовательно, и возможный ток рекуперации. Таким образом, напряжение включения вто- рой ступени должно быть выше точки jAj Рнс. 116. К определению напряжения включения ступеней приемника избыточной энергии по крайней мере на вели- чину необходимого запаса, обеспечивающего надежность работы включающего устрой- ства второй ступени. При этом надо ориентироваться на самую пологую из возмож- ных внешних характеристик электровоза в режиме реку- перации, так как именно та- кая характеристика опреде- лит наиболее высокое поло- жение точки Лх, а следова- тельно, и напряжения вклю- чения второй ступени. Несомненно, однако, что любая характеристика элек тровоза будет иметь падаю- щий характер, т. е. при лю- бой характеристике точка £4i будет лежать ниже £7В|. В теоретическом случае, ког- да достаточно было бы иметь ничтожно малый запас между установившимся напряжением на первой ступени (точка Лг) и напряжением включения ™» ый включающем устройстве), спряжение нключе- пгелГийшЙй ЕдаТ ТУ"'™ бЫЛ0 б“ иег-'и ниже "“пряжения включе.......... И тй Г™JJ и»л,Ш||ю-с°<Я“""“чую чапряжечия включен™ и,,,. U^, ™ 'тактом ст>"е,'й' 1'азмть ™|||ей ""ЛЮчеяия приемника эчер- гни, то в данном случае она имела бы падающий характер (см. рис 116).
^пйп-^Г^п^и0ТРеЗКН ~.У»2’ ~н т- Д- должны обеспечить чет- кую работу включающего устройства. Если погрешность устройства, обеспечи- вающего напряжение включения £/в1, и возможное колебание напряжения на шинах подстанции могут быть больше величины j4l—t/„2, то вслед за включе- нием перво» ступени и установлением напряжения, соответствующего точке А, может сейчас же включиться вторая ступень. Поэтому необходимо иметь запас A vn2, больший возможной погрешности устройства включения. Если бы ступени сопротивления были очень малы, то точки Аъ Ае и т. д. получали бы незначительное понижение относительно точек t/Bb (7в2 и т. д. Тогда, если считать необходимый запас между точками А и Uv2, А и </„3 и т. д. тем же, что н в предыдущем^ случае, то линия включения UDl— Bt (см. рис. 116) окажется возрастающем, что не выгодно сточки зрения реализации максималь- но возможных токов рекуперации. Если же токи отдельных ступеней увеличить, то понижение точек по отношению к t/ull Л» к l/u2 и т. д. увеличится. Тогда при том же запасе для надежного включения У!» — 47„2, Л2 — UDs и т. д. липли включения пойдет ниже. Таким образом, линия включения может от- клоняться от горизонтали как вверх, так и вниз в зависимости от сопротив- ления ступеней и точности работы включающего устройства. При этом напря- жение иа электровозе будет всегда выше напряжения на подстанции. В частном случае, когда электровоз находится непосредственно около под- станции, напряжение на нем в момент включения ступеней будет равно t/nl, <4,2 и т. д., а после включения—Uai, Ua2 и т. д. (соответственноточкам А1г А2 и т. д.). Если же сопротивление тяговой сети между электровозом и под- станцией будет равно 2?ЕС, то напряжение на электровозе будет выше. Для получения этого напряжения необходимо к напряжению на подстанции доба- вить падение напряжения в тяговой сети. На рис. 116 оно показано внизу линией С точки зрения экономии энергии желательно все напряжения включения иметь возможно более высокими, но, с другой стороны, напряжение на электро- возе не должно быть выше U3 пшк (4 000 в согласно ГОСТ 6962—54) и должен обеспечиваться достаточный перепад напряжения между электровозом и под- станцией, чтобы протекал необходимый ток рекуперации. Тогда наивыгодней- шая линия включения, очевидно, будет соответствовать уравнению <7в(*-| I) — б'этзх Д-ft <?кс> (142) где в —напряжение включения ступени с номером A-J-1; 1гк _ избыточный ток рекуперации, соответствующий включению ступеней с первой по k-ю. Прн этом только надлежит иметь в виду, как это уже отмечалось, что для устойчивой работы необходимо, чтобы понижение напряжения при переходе на некоторую ступень обеспечивало необходимый запас до напряжения включения следующей ступени (отрезки Ак-—Un2‘, А2 — <4з и т. д. на рис. 116). Тогда ма- шинист, подняв напряжение на электровозе до включит первую сту- пень, напряжение на электровозе упадет, подняв его вновь до тон же величины UJt. он включит вторую ступень и т.д. Таким образом, для включения любой ступени машинист должен будет поднимать напряжения до одной и же “""еын’жс запаса А,- Ua Вт. д. при линии включения, соответствующей уравнению (142) недостаточно, нанряжягае включения должно быть соответ- ственно увеотчено. В этом случае процесс включения будет протекать следую- щим образом (рас. 117)- Подняв напряжение Ж величины (./„, машинист тем самым включи первую ступень (линия О-/). Установится некоторый ток и напряжение, соответствующие точке А. При этом напряжение на электровозе упадет да величины и„ (точка В). Как я на рис. 114, здесь линяя АВ характе- ризует падение напряжения в тяговой сети от рекуперирующего электро- поза до подстанции.
Для большей примем, между точками Л, и U.,. Л, и Пэт и Т. А, j /„„„пятым на рис. 116. Поэтому ступени —напряжение выше напряжение <Ла Пройдя из точки С линию, параллельную ЛВ, до пересече- ний осьюординататочкеD, найдем напряжение на электровозе, при которое оХ,™ Г£я ступень Переход из точка С на третью ступень пойдет по кривой СЕ, аналогичной кривой а, на рис. 114. При этом напряжение на элект- ровозе определится точкой F, т. е. точкой пересечения линии EF, параллельной АВ, с осью ординат. Напряжение включения третьей ступени равно 14а. и для ее включения машинисту придется поднять напряжение до точки Н. После включения третьей ступени, когда установятся ток и напряженке, соот- =>Г«е Т0ЧКе Линии напРяжеине на электровозе упадет до Для включения последней (четвертой) ступени машинисту придется поднять напряжение до точки Д', а после перехода на четвертую ступень, когда устано- вятся ток н напряжение на подстанции, соответствующие точке Р на электро- возе оудет напряжение, соответствующее точке S. ” Да""ом случае ““““«шее напряжепме, которое прп- SmSe элект1’от"'. “оогаетствует точке W. Очешщко, ЭТО Рг \ п А 6ь|ТЬ выше допустимого на электровозе. е8а на рис. и? показало, как меняется напряжение на электровозе при включении поочередно одной crv-neim чя nnvrrf при ‘ мдиии ступени за другой. Здесь справа от осн показаны 164
повышения напряжения, вызываемые действием машиниста (изменением воз- буждения тяговых машин), а слева — понижения напряжения, вызванные по- очередным включением ступеней. Из изложенного можно сделать следующий общий вывод об условиях устой- чивой работы балластного сопротивления. Если балластное сопротивление работает на (А 1)-й ступени, то включение А-й ступени должно происходить только при повышении напряжения на электровозе. При этом необходимо, чтобы после включения А-й ступени напряжение на балластном сопротивле- нии установилось ниже напряжения включения (А 4- 1)-й ступени на величину, обеспечивающую достаточную четкость работы включающего устройства. Вместе с тем желательно, как уже указывалось, не повышать напряжение включения (А + 1)-й ступени сверх необходимой величины, так как это ведет к умень- шению максимально возможного тока рекуперации. Выбор напряжений включения ступеней сопротивле- ния при нескольких электровозах. До сих пор мы рассматривали условия работы балластного сопротивления при одной подстанции и одном ре- куперирующем электровозе. Возникает вопрос, не может ли в других случаях напряжение при переходе с (А—1)-й на А-ю ступень упасть на меньшую вели- чину, чем это показано на рис. 116 или 117. Если такая возможность имеется, то возникает опасность, что при пере- ходе с (А — 1)-й ступени на А-ю на- пряжение окажется равным или более высоким, чем напряжение включения (А 4- 1)-й ступени, а тогда вместо од- ной А-й ступени включится сразу и (А 4- 1)-я ступень. В таком положении могут оказаться и остальные ступени, и, следовательно, пожелав включить одну, мы включим их все или боль- шую часть, что, по понятным причи- нам, недопустимо. Чем же могут отличаться другие схемы от рассмотренной? Прежде все- го тем, что, кроме данной нагрузки, могут быть и другие, а в схеме пита- нпя будет ряд подстанций, включенных на параллельную работу, причем часть нх может работать в режиме выпрямления, часть в режиме холостого хода или при включенных балластных сопротивлениях^ Задача еллошггелыю. состоит сейчас в том, чтобы сравнить условия работы при разных схемах » установить, какая из них соответствует более тяжело- му случаю и должна быть принята в качестве расчетной. Очевидно неправильно было бы сравнивать просто условия включения сту- пеией приемника эперпщ безотносительно к тому, какое количество энергия ре- купер "роется па участке в рассматриваемый момент времени. Поэтому правиль- нее гои ставяетш исходить из условия обеспечения необходимой энергии ре- купсрашш" хо™ приемник энергии „этом случае будет работать при различных "аГ₽ОетагоЮмся в первую очередь, но влиянии появления „а рассматриваемом уча™ ДРУГИХ нагрузок. Предположим, что для включи™ й-й ступени на под",™ гообходпмо поднять напряжение до U (рас 118), тогда при одном ( "током I.) В конце участка необходимо было бы „меть на ГОМ папри- « , “ /)"/(точка4,). Допустим, что в рассматриваемой зоне ближе к под- па шш аход Гтся й-орой рекуперирующий электровоз стоком Напряже- станции находитси н сопротивления останется тем же и ток па участ- ние включения А-Й ступени СОПришил гЛР.|ПнЯТ(ьп,1Ип линия Л R гтпяиит не. АВ также останется равным прежнему. Следовательно, линия сохранит кс ло также ос гаи я лиинЯ пойдет с меньшим наклоном и, свои наклон. Нал . же ступени сопротивления потребуется следовательно, дая.жк (точка /у. Сумма максимальных зва меньшее напряжение на электрик v Un VD Рис. 118. Диаграмма распределения на- пряжения в фидерной зоне одностороннего питания при двух рекуперирующих элек- тровозах
чений токов рекуперации обоих поездов превысит максимальное значение тока одного поезда и, следовательно, балластное сопротивление должно будет обес- печить потребление большего тока (т. е. иметь большее число ступеней). Однако этот вопрос относится уже не к условиям включения ступеней, а к выбору не- обходимой мощности приемного устройства. Изменим теперь в наших рассуждениях исходные условия и примем, что один из электровозов находится в тяговом режиме. Сперва рассмотрим случай, когда он будет находиться на расстоянии от подстанции, большем, нежели реку- перирующий электровоз (рнс. 119). Если то балластное сопротивление не включится, так как машинист рекуперирующего электровоза поднимет на- пряжение до величины, при которой ток /г станет для него достаточным, осталь- ную часть 1т будет давать подстан- ция, работающая в выпрямительном режиме. Если /«</«, то ток 1’е, иду- щий па подстанцию, меньше /г; сле- довательно, напряжение на электро- возе для включения необходимого количества ступеней приемника энер- гии будет ниже, чем при одном толь- ко токе /2. Перед включением первой ступени 4—0 (или /г = /т) и, следовательно, условия включения первой ступени остаются теми же, что и в случае, когда рассматривается только один поезд. Рассмотрим теперь случай, когда электровоз в тяговом режиме расположен ближе к тяговой подстанции (рис. 120) и (в противоположном случае приемное устройство работать не должно). Тогда диаграмма изменения напря- жения вдоль участка будет иметь ввд, представленный на рис. 120 сплошной линией. Рнс 119 Схема расположения двух элек- тровозов п тяговом и рекуперативном ре- жиме в фидерной зоне одностороннего пи- тания Рнс. 120. Диаграмма распределения напряжения в фидерной зоне одно- стороннего питания при двух элек- тровозах в тяговом и рекуператив- ном режимах Рис 121. Диаграмма распределения напряжения в фидерной воне одно- стороннего литания при двух элек- тровозах в тяговом и рекуператив- ном режимах при включении периой ступени , отсутствовал, то для того же тока Д подстанции U,, (напряжение включения Легко видеть, что если бы ток необходимая величина напряжения на 1_.------- некоторой ступени) могла быть достигнута при большем значении напряжении электровоза На рис. 120 пунктиром показано изменение напряже- ния в тяговой сии в этом случае (линяя А,В.. параллельна липни Б,В, ™ ™ ™ "° «этом случае 6ужт РавМ| '> Следовательно, оключе- ime сопротивлении для обеспечения определенного тока рекуперации будет происходить при тем более легких условиях, чем больше ток и наоборот. „„,„„“^И,"“оста№явеР,,ы“лл”лю«в'’еЧп«п1. кроме первой Довклю- 1™ м, ЛР™10|!ХЛИгГГ!‘™Е' "РВДставлешгая па рис. 120, заменяется ди- аграммой рис. 121. Отличаются эти диаграммы тем, что часть А.Б. во втором случае стала горпзоитальяо!,. так как ток в этой части сии рапе,, „ул,о Из
Рис. 122 Диаграмма распределения напряжения в фидерной ясне при одном электровозе в рекуперативном режиме и электровозе в тяговом ре- жиме за пределами зоны JSZS я™ терюй CT>m"' “ ° то на электровозе потсбуется увезнчЛ Л тсл“ Ле ,|ПГР>'ЭКЯ Л. # 0. около нагрузки /„^следомт^шТЛ г ,ря,"с,,|,е“«пчини, при которой ным U.,. Сед„” “о Л™ »ДСга,,и"") Рав- включения первой ступени ^реС^ся ’‘° ““^хзвозе для поезЙК^^)М№ШеМЯ напряжения потребует расположение ®п Режиме (/„,) около подстанции или по другую се сторону (рис И“Ю"Й,ИЯ ,,Ерво'1 ст>™“ увеличение напряжения у реву тарирующего электровоза. На ,,екоЗ°РУю небольшую величину, то сохраняется необхо- Й П€РВ°“ СТуПеНИ’ ” соадаюгся наиболее W»»* условия для С некоторым запасом для выбора напряжения включения первой ступени можно было бы считать в качестве расчетной (как самый тяжелый случай) схе- му стяговой нагрузкой, расположенной, как показано на рис. 122, в равной току рекуперации. Такой подход, обеспечив для всех случаев совершенно надежные условия включения первой сту- пени, вместе с тем заставит сильно сни- зить напряжение включения. Это при- ведет к частому включению первой ступени и большим потерям энергии. Очевидно ид- ти на такое напряжение включения будет целесообразно лишь в том случае, если схемы расположения нагрузок, представ- ленные на рис. 121 и 122, могут возникать достаточно часто. Если же такие схемы встречаются весьма редко, целесообразнее дать более высокое значение 47и3, не обес- печивая для подобных схем полного тока рекуперации на то короткое время, пока не изменится расположение нагрузок. Таким образом, при одностороннем пи- тании при выборе напряжений включения следует исходить из схемы рис. 122. Выбирать же ток, идущий через шины подстанции 1т, следует тем меньшим, чем более густое движение на участке. При очень густом движении может быть и вовсе не следует принимать подобный случай во внимание. Более глубокое изучение опыта и подбор статис- тических данных сможет дать более четкий ответ иа этот вопрос. До этого же следует идти по пути увеличения запаса надежности работы. Этот же подход можно распространить и на схему двустороннего питания. При расположении рекуперирующего электровоза в середине фидерной зоны можно мысленно разрезать схему по нагрузке. Получим две линии с односто- ронним питанием, подобные изображенной выше на ряс. 122. Спедователыю, процесс включения ступеней будет идти тем же порядком, что и при односто- роннем питании. Различие будет заключаться лпшьв том, что каждый раз одно- временно будут включаться две ступени, давая соответствующее приращение тока. Однако это обстоятельство по существу ие меняет общей картины включе- ния ступеней сопротивления. Таким образом, для случая расположения рекупе- рирующего локомотива в середине все соображения, изложенные выше приме- нительно к выбору липни включения при одностороннем питании, сохраняют полностью свою силу. При несимметричном расположении рекуперирующего поезда в фидер- ной зоне условия включения приемника па ближайшей подстанции облегчают- ся. При дальнейшем увеличении напряжения на электровозе следующие сту- пени установки на этой подстанции будут включаться, как и при одностороннем питании. Так как напряжение на электровозе будет повышаться, то может на ступить момент, когда начнут включаться и ступени сопротивления второй под- 167
тех же соображений, что и для одностороннего питания О ключеине ступеней сопротивления. В существующих на нодетагаиях установках |46| отключение ступеней производится не по па- ,,жжению (так как .мала разница между уровнями напряжения, при кото- pbix должно происходить отключение), а потоку ртутных выпрямителем, что обеспечивает большую четкость отключения. На рис. 123 показана характе- ристика первой ступени О—/, напряжение включения этой ступени с/ц1 и на- пряжение холостого хода подстанции Uo. Как уже отмечалось, при напряжении па шинах подстанции и,л включится первая ступень сопротивления и уста- новится некоторое напряжение t/C| к соответственно некоторый ток. Если машинист пожелает уменьшить этот ток, например, до 1г и отключить ступень сопротивления, то он начнет понижать напряжение на токоприемнике и, следовательно, на шипах подстанции. В результате будет достигнуто неко- торое напряжение C'0i<(70 и к сопротивлению устремится ток от ртутных выпрямителей /в1, по величине которого и регулируется отключение ступеней сопротивления. Схема распределенного приема избыточной энергии. В тех случаях когда вследствие удаленности рекуперирующих электровозов от подстанции ис- пользование рекуперации становится невозможным, может быть применено расположение приемников избыточной энергии на перегонах в непосредствен- ной близости от рекуперирующих элек- тровозов. Такие установки разработаны и проходят опытную эксплуатацию на одном из труднейших участков наших дорог. Особенности работы системьГэнерго- сиабження при рекуперации на участках однофазного тока1. В связи с появле- нием опытных образцов выпрямитель- ных электровозов с рекуперативным тор- можением отечественного производства возникает необходимость учета влияния Pur 19ч к . рекуперации электровозов на систему Рис 123 К выбору режима отключения энергоснабжения ступени приемника избыточной энергии ИЯ анализ электромагнитных пронес- витающей в инверторном режиме позХХтТ™а3°Вательноя Уста™вке- Ра’ и формы тока и напряжения в тяговой cS™*™ заи,с"ы°сть Рел,,™вы ла коммутации, угла зажигания, гадалвтого ов »">еРт1Фования (уг- иитерес представляет анализ кривой кпряжеш.» -"Я иеП,А' °С дополнительных провалов и кривой иапря™„т“ в ”гово" Т“' Появлеш,е вызванных коммутационными процессами bSto™„ "“Д* электровоза, рекуперации, и несовпадающих во времени с ' Раеота[°™“ в режиме возах, работающих в тяговом режиме вт,?.™ Ми коммутации в электро- нки и снижение как действующего 'так ??? искажение кривой панряже- (см §11) Таким образом, появление рекупеяппсю1тГ0 3"аЧе11,1и "’"Р11'™1’11’1 к дополнительному ннженвк, уровни nanniS. ™ электровозов приводит Принудительное сеточное регулирование в 1ЯГ°ВОЯ сети, него сдвига фазы тока отв ительно напряжен™“яст ™влевио искусствен- ботающего в инверторном режиме, и noiS,,,,, ,”'№"''Х преобразователи, ра- Коэффициент мощности па пантографе Потока реактивной мощпоста- казаан эксперименты, изменяетсявреде,электровоза, как по- I делах 0,0—0,75, уменьшаясь с ростом 168 1 Д° К0ИЦа Пяраг₽афа нап"са’ю К- и Фоковым
нагрузки. Применение на электровозах полупроводниковых управляемых вы- прямителей позволит несколько повысить значение коэффициента мощности. Электровозы, работающие в режиме рекуперации, разгружают источники питания от потоков активной мощности и нагружают их потоками реактив- ной мощности. Поэтому при одновременном расположении на фидерной зоне электровозов, работающих в тяговом режиме, и рекуперирующих электровозов коэффициент мощности на шинах тяготой подстанции может изменяться в широких пределах, принимая, в частности, значения, близкие к нулю. В связи с возможностью широкого изменения значениями волределенных нагрузочных ситуациях может значительно возрасти неравномерность нагрузки фазных об- моток тягового трансформатора. Методика расчета эффективных ц средних токов подстанции с учетом реку- перирующих электровозов может быть сохранена прежней, однако нагрузку подстанции следует определять с учетом суммарных потоков активной и реак- тивной энергии, а мощность трансформатора тяговой подстанции выбирать с уче- том возможного диапазона изменения коэффициента мощности на ее шинах. Наличие рекуперирующих электровозов несколько расширит диапазон изменения коэффициентов несимметрии токов и напряжений. Очевидно, что для повышения эффективности работы устройств тягового энергоснабжения при наличии рекуперирующих электровозов следует преду- сматривать установку дополнительных источников реактивной мощности (конденсаторных батарей), максимально приближая их к потребителям этой мощности (электровозам).
Г лава /V НЕСИММЕТРИЯ и ГАРМОНИКИ ГОКОВ и НАПРЯЖЕНИИ В СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ § 22. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В главе 1 уже отмечалось, что в настоящее время во всех странах мира элек- трическая энергия вырабатывается в виде трехфазного тока и через трехфазные распределительные сети подводится к потребителям. Ниже нам придется неодно- кратно встречаться с расчетом неравномерно нагруженных трехфазиых линий, питающих тяговую нагрузку. В соответствии с терминологией, принятой в тео- ретической электротехнике, под трехфазной цепью мы будем понимать всю со- вокупность однофазных цепей, из которых она составляется. Если комплексы сопротивлений всех фаз будут одинаковы, то трехфазную цепь будем называть симметричной, а в противном случае — несимметричной. Электродвижущие силы, напряжения и токи в трехфазной цепи обра- зуют соответственно трехфазвую систему э. д. с., напряжений и токов. Если все э. д. с., напряжения пли токи равны между собой и сдвинуты относительно друг друга на 120° (yj, то такие системы э, д. с., напряжений или токов называют симметричными. В случае же когда модули одноименных величин ие равны друг другу или углы между этими величинами не равны 120°, или имеет место то и другое одновременно, системы называются несимметричными. При симметричных трехфазных потребителях все фазы трехфазной системы нагружаются равномерно. Если же от трехфазной системы получают питание и однофазные потребители, то нагрузка по фазам распределяется неравномерно. Это приводит к худшему использованию генераторов электрической энергии- Неспмметрнчная нагрузка системы энергоснабжения обусловливает несиммет- ричные потери напряжения в ее элементах и в результате приводит к появлению несимметрии напряжения у потребителей Основными потребителями являются трехфазные асинхронные двигатели и осветительные приборы. Несимметричное напряжение на зажимах трехфазных двигателей приводит к неравной загрузке их фаз и отсюда — большему нагреванию наиболее загруженных фаз или к не- ооходимостн уменьшать приходящуюся иа двигатели нагрузку. При несимме- тричном напряжении на части осветительных приборов напряжение может 1 ” ВЫШе номинала' а на ДРУГОЙ части —ниже, что приводит соответст- (отдачн) 'вторыТ*1*0 С*Хжа СЛУ’К®Ы первых н уменьшению светового потока ПРИ чисто^п^.^АЛи«-еН,1Я Указанные явления достигают, как это легко понять, X ’ нагрузке, т. е. когда от двух фаз трсхфазной снеге- „о кХТг^Д"Оф1и,“;'Я ’“'ТУака. Практически система питает обыч- этом^гаию™ ° "Т” как Ч»»Фазяых. так и однофазных. При мерное между 1-!;* “^|1<тгР.еби'геЛ11 Распределить по возможности равио- ли, SxrSX,К стаы' Ч'“ доля однофазной на- тем меньше несимметпна >><> *еРГ0СистемУ и чем она равномернее распределена, ИТеМ> ^Довательно, мздыне неблагопри- .ZSZbZo^Sotok ГХЛ<™у. Электрический ] ка является jmcto однофазной нагрузкой, к тому же
нагрузкой большой мощности. Поэтому вопросам несимметрии нагрузки и не- симметрии напряжения, вызываемых в энергосистеме тяговой нагрузкой, уде- ляют серьезное внимание как при проектировании системы энергоснабжения, так и при проведении технико-экономических исследований. Уменьшение несимметрии нагрузки и связанной с ней несимметрии напря- жения может быть достигнуто двумя путями: более равномерным распределением однофазной нагрузки между фазами трехфазмой цепи, либо искусственным путем с применением специальных симметрирующих устройств. При изучении вопросов, связанных с влиянием несимметричной нагрузки на работу трехфазной системы, широко применяется метод симметричных составляющих. А в ряде случаев можно получить искомые результаты значи- тельно более коротким путем, рассматривая степень неуравновешенности мощ- ности несимметричной системы. Ниже мы остановимся па основных положениях метода симметричных составляющих и на особенностях мощностей несимметрич- ной системы. Как известно из электротехники, енммегричная трехфазная система на- пряжений может быть представлена тремя уравнениями: “д=^т sin(wZ'H'o); sin —120°); uc=t/msin(oH^-240°), (143) (143') где фв —начальная фаза напряжения иА. При пользовании символическим методом эти же условия можно записать в виде: UA^Uc^> = & Us—Ue' e~i120'==Ue~>120°; 6’с=(7е'<^-240’’=(/’е/<'а e-/24°e= f7e-/240°. Комплексный множитель г'™' обычно обозначают буквой а. В последую- щем изложении нам неоднократно лрчжтея встречаться с различными выраже- Хм ’ в"ающими В сДя втот множитель. Ниже пряведенына.,более часто встречающиеся в преобразованияхформы, содержащие итог коэффициент. 1 i/з a=eilSD' =е-мг —% + J ~g-, 1 .1/3 0t==e/«o-=e-^’^ = — а’=е'360’ (144) 1-}п-|-аг—0> _ -УЗе--. Л 1 д. ; - е/в0’ , ! .j д = -а-= J71
2 z 2 a-j-a4 == (144> (1-Ьа)« = а. Кроме того, при пользовании символическим методом полезно помнить, ЧТ0 1 (144') е /180° = _ 1, ei/3C0°= 1 Соответственно выражения (143') для симметричной системы напряже- ний можно написать в виде: йА-й. l)B=as0 и 0с-ай. (145) Основные положения метода симметричных составляющих. Метод симме- тричных составляющих основан на том, что любая несимметричная трехфазная система может быть разложена на три симметричные составляющие: прямой, обратной и нулевой последовательности 147 J Эти три составляющие могут быть изображены тремя системами векторов (рис. 124), вращающихся в одну сторону (принято, как обычно, против часовой стрелeii). При этом в первой, прямой системе (рис. 124, а) векторы в процессе вращения следуют друг за дру- гом в порядке Л, В, С. В обратной системе (рис. 124, б) порядок следования фаз противоположный, т. е. С, В, А. И, наконец, в нулевой системе (рис. 124, о) все три вектора совпадают по направлению. Угол между векторами прямой и обратной последовательности для основной фазы равен (рис. 124, г). Таким образом, каждое из фазных напряжений несимметричной системы, например, значения напряжений Ua, Ub,Uq могут быть представлены тремя уравнениями: ^а={7а(1)-г^Л(2)-гС,л(оь | ^'в~йв^Г\-и} (7с=(/щ)-1-£;С(2)4.6с(0)- j век горы (7л||>’ U‘m " а также 1}я1, и 1)П2, сбра- ™’ воспшм»аи“««. уравнениями (115), для прямой системы (146) a-UW), йс^=айА^ для обратной системы „ 1пп _ 6?Щ2)=дб'Л(2), (Лад—ДЧЛ<1(2) и для нулевой системы ' В соответствии образом: ^А{0)==и /3(0)=t7C(0>=t7(0). с этим выражения (146) можно переписать следующим ^A = ^A(l)+t7z(2)-ri/(O); 1 ^b^UaM+oUW)+IJ(()A (?в=«17д<|)4-й»иЛ,г)-|-1/(О).] (147) 172
onpeSZT*..” о"”"' W< Уравпея». позволь ^A(i) = -3 (Ол+Ы/в+вЧ/с); (14S) ^S| = у {Ол+#йв+аи<}. тококИаЛОГИЧНЫе Вы₽ажения моя<но написать и для несимметричной системы Ло) = (1д-\- Ьг|-/с); 4i(ij = -§• ( Л+ alD-l-a~ic); h(B) = -^(/z-ba2/o-j-o/c). (149) Из первых уравнений (148) и (149) видно, что если суммы UA, UD и Uc vnu IА, I в и /с дают ноль, или, иначе, названные векторы образуют замкну- тый многоугольник, то (7<о)=О или /(0)=0, т. е. нулевая система напряжений Ряс. 124. Векторные диаграммы симметричных составляющих: о—соответственно прямоП. обратной н пулевоЛ последовательности; г—угол й между вахтерами прямоП н обратной последовательностей основной фазы или токов отсутствует. Так как в любой трехпроводной цепи трехфазной системы сумма линейных токов равна нулю, то в такой системе отсутствует нулевая составляющая токов. В симметричных цепях симметричные составляющие системы одной после- довательности пе влияют на симметричные составляющие другой последователь- ности. Например, токи прямой последовательности вызывают падения на- пряжения только прямой последовательности, а токи обратной пли нулевой по- следовательностей—только падения напряжения соответственно обратной или пулевой последовательностей. Изложенное относится как к статическим цепям, так и к цепям, содержащим вращающиеся машины с симметричными обмотками. Эта особенность (независимость симметричных составляющих в симметричных Цепях) широко используется в последующем изложении. Поскольку симметричные составляющие токов определенной последова- тельности вызывают падения напряжения той же последовательности, то можно говорить о соответствующем сопротивлении цепи той или иной последователь- ности. В соответствии с этим при пользовании методом симметричных состав- ляющих различают три вида полных сопротивлений- по отношению к токам прямой, обратной н нулевой последовательностей, или короче, полные сопро- тивления прямой, обратной н нулевой последовательностей. В симметричных статических цепях полные сопротивления прямой и обратной последователь- 173
„остей оилшгавы, сопротмеине же нулевой иосдаательностп может or н„х SSS™° вращающихс манн..., как правило, полные сопротннленнн составляющие одной Седова- тельное™ В общем случае оказывают влияние на симметричные составляющие друтой последовательности. Несимметричную систему сопротивлении трехфаз- ной цепи можно, подобно тому как это делалось выше для напряжении, разло- жить на симметричные составляющие различных последовательностей В ре- зультате будут получены симметричные составляющие сопротивлении цепи пря- мой, обратной и нулевой последовательностей.(Эти понятия нельзя смешивать с введенными выше понятиями сопротивлений в симметричных цепях по отно- шению к прямой, обратной и пулевой последовательностям токов.) В общем случае токи каждой из последовательностей будут вызывать радения напряже- ния в каждой из симметричных составляющих сопротивлений. Коэффициенты иесимметрин. Выше уже было отмечено влияние иесиммет- рин токов и напряжений на работу различных электрических установок. Приме- нительно к системе энергоснабжения железных дорог с иесимметрией токов и напряжений придется встретиться, рассматривая работу лилий передачи и трансформаторов тяговых подстанций. Питание электрических железных дорог всегда осуществляется при помощи трехфазных трехпроводных линий передачи, в которых токи нулевой последовательности отсутствуют. В дальнейшем мы бу- дем исходить из отсутствия нулевой последовательности. Практически в настоящее время оценка иесимметрин системы (напряжений кли токов) производится при помощи так называемого коэффициента несиммет- рин Из изложенного выше ясно, что чем больше несимметрия системы, тем при прочих равных условиях больше составляющие обратной последовательности. Поэтому естественно, что предложенные различные способы оценки несиммет- рии всегда связаны с величиной обратной последовательности. В технической литературе распространено определение коэффициента иесимметрин как отно- шения модуля составляющей обратной последовательности к модулю составляю- щей прямой последовательности. Для оценки иесимметрин токов получим (150) Эти же величины представляют и в процентах: = Jp. юо%. (ISO') MaJ^wroSеТ^Ка.®ЫВОДу’ 1Т° ЭТа величи,,а Для нагрузки (тока) эле- ной. neficTBHTeibi<nCTk-n^AuGprOCHa6>KeHHS1 ”е является достаточно характер- сами токи плямой ?шент «асимметрии может быть очень велик, ио грузки данной машины tT O^ "^едовательности много ниже номинальной на- bEbhS!в(этом сл^’₽^ДОВаТеЛЬНО’ посУ“1*ству токи обратной последо- ки обратной последовательной™ мо??тбьцТьвпНОе ВЛИЯИИ®' И’ наобоРот- т0' дущем случае а ™ МОПТ быть во много раз больше, чем в преды- следовательности достаточно “*х:имметРии незначителен, если токи прямой по- рии токов, характеризуя Поэтому такой коэффициент несиммет- чески пе определяет влияния искажения трехфазной системы, практи- мощность машины. ЭТОИ нес,|ММетР»п «а располагаемую (допустимую) эффициент иесншетрии тжТеппелст^яюеИ,‘п'М^В',1Яется относительный ко- обрзтиой последовательности к homSSLCO6°” ОТИОШеине М°ДУЛЯ тока оценивается влияние токон у ТОКУ машины, на которую меньшие по отноШе11ИЮ к НОМ1^а™ "оследовательиости. Действительно, довлтыыюстя будут оценены меи,„„ей ктчтел'Хы,!™™ обРатн°“ после' J74 ичиной коэффициента иесимметрин-
В этом случае приведенные выше формулы (150) и (150') заменятся выраже- ниями: (151) а, «а =-Ь1Ю0%. (151 ) Рис 125 Диаграмма для определения коэффициента иесимметрин напряжения av и угла между составляющими прямой и обратной последовательностей собой отношение напряжения обратной последовательности к напряжению прямой последовательности (152) Так как напряжение прямой последовательности отличвется от номиналь- ного напряжения на величину потери напряжения прямом последователь- ности, а эта последняя обычно незначительна, то часто вместо av принимают 175
(153) относительный ПИЯ обратной последовательности к номинально. , 1/(2) «V==^- „ой последовательностей основной фазы (например, Uw> к UMt> -см. ”'1С И№ специальные диаграммы [47J для определения коэффициента несимметрии, представленные „а рис. 125, где по осям отложены отношения^ / или и (или J. По заданным координатам находится точка. Положение этой точки на замкнутых кривых определяет несимметрию в до- лях единицы, а положение ее на лучах, расходящихся от начала коорди- нат, определяет угол ф § 23. ВЛИЯНИЕ НЕСИММЕТРИИ ТОКОВ НА РАБОТУ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Как известно из теории работы электрических машин, несимметричная нагрузка генераторов приводит к повышенному нагреванию нх обмоток и стали статоров и роторов. Кроме того, в этих условиях наблюдается увели- ченная вибрация отдельных частей машины. Все это может привести к нару- шению нормальных условий ее работы. Вопрос о влиянии несимметричной и несинусондальной нагр узки иа работу синхронных генераторов изучен еще недостаточно Согласно ГОСТ 183—58 (электрические машины) в турбогенераторах разность тока в фазах ие должна превышать 10% номинального тока фазы. Также отмечается, что трехфазную си- стему токов можно считать симметричной, если токи обратной последователь- ности не превышают 5% токов прямой последовательности В действующих в СССР Правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей до- пускается длительная работа генераторов при их полной нагрузке, если токи обратной последовательности для турбогевераторов не превосходят 5%, а для гидрогенераторов—10% номинального тока. В последние годы коллектив науч- ных работников Олского (гнститута инженеров ж.-д транспорта (ОмИИТ) про- вел интересные экспериментальные исследования [481 на двух турбогенера- торах мощностью 25 Мет по влиянию несимметрии нагрузки иа располагае- мую мощность синхронного генератора. Изменяя искусственно в широких пределах несимметрию нагрузки, они получили возможность установить с иеко- торо», очевидно, допустимой для практики точностью влияние изменения нс- симжтрии токов на работу генератора. В эксплуатационных условиях иссле- домгслям ие представилось возможных, наблюдать отдельно влияние неецм- нетрии и иссияусиимыюсш нагрузки. В своей работе авторы исходили из JSSLT ™КТР ГаРММ’ИК “ —уХи буАт ири- Так как теоретическое рассмотрение вопроса приводит к выводи что ие- тЛ “те^±р='=~~ р₽
и такие же кривые при тяговой нагрузке в сравнимых условиях, т. е. для одних И тех же значении мощностей генератора (S, Р, Q) и тока ротора /„ (рис .126, б и в). На этом же рисунке приведены кривые изменения тока обратной после- довательности /2. График L=f(t) одновременно в другом масштабе является и i-рафиком коэффициента несимметрии тока. Из рис. 126 видно, как с увели- чением тока обратной последовательности (при неизменной потребной мощ- ности) растет температура статора и ротора по сравнению с температурой их при симметричной нагрузке. Видно также, что большее влияние несиммет- ричная и косинусоидальная нагрузки оказывают на ротор. Рис. 126. Влияние тока обратиой последовательности на температуру ротора п статора генератора При проведении исследований авторы поставили перед собой задачу оце- пить несимметрию токов статора некоторой эквивалентной дополнительной симметричной и синусоидальной нагрузкой AS. Был получен весьма интерес- ный вывод, заключающийся в том, что практически величина этой эквивалент- ной дополнительной нагрузки не зависит от нагрузки машины, а зависит толь- ко от величины несимметрии токов. Допустимая мощность нагрузки 5'Л с уве- личением AS соответственно снижается. Полученная зависимость AS=/(ct/) или 5Д = Да,) показана на рис. 127. из которого видно, что при значениях коэффициента несимметрии тока а/ от 0 до 7% влияние несимметрии тока практически нс сказывается. Физически влияние несимметричной нагрузки должно сказываться в на этом участке изменения а/, но, очевидно, это влия- ние столь незначительно, что при применяемых практических методах изме- рения оно нс обнаруживается. Однако нрн подборе уравнения, описывающего зависимость AS — да/), удобно учитывать влияние а/ с самого начала, т. е. ' К. Г. Мяркапрдг 177
„ а, _0. При «омэкрертие.таяы.ые,«иные хорошо ошиваются уравве- ,"’ем параболы AS=paJ. (154) „ , ..«Г «та или дайкой совокупности точек (данных экспери- ме№№“«Х»"я)достатоЧ,ю хорошее совпадение копытом урапнекие (|И) даст про р-О.М is=o 68K?_ (154') гсе а, >1 AS представляются в долях единицы. В литературе 149] предложена ^«мацют уравнения А5 -/(“>) отрезками прямых, что для пашей зада- "" Эютнвютс™ют зиачеине тока обратной послвювмелыюсти. Для установок с нагрузкой, резко меняющейся по времени и по фазам трехфазной системы, как это имеет место в электрической тяге, практически невозможно оценивать ТГЧЛП» ИЯ ЛЯПА. мощности генератора в зависимости от не- влияние несимметрии токов на рабо- ту трехфазного генератора при помо- щи относительного коэффициента не- симметрии, непрерывно изменяюще- гося по времени. Очевидно, в рас- чет должно входить эквивалентное значение несимметрии, каким-то об- разом усредненное. В соответствии с изложенным выше можно прийти к выводу, что при существующем состоянии вопроса действие системы токов обратной по- следовательности надлежит в основ- симметрии тока ном оценивать по тому тепловому эффекту, который она вызывает. При изменяющихся по временя значениях //ц, и 7/(2) увеличение выделе- ния тепла может быть оценено отношением среднего значения квадрата модуля суммы векторов токов обеих последовательностей к среднему значе- нию квадрата модуля тока прямой последовательности (обозначим чертой среднее значение или при расчетах — математическое ожидание): 67— -I- /г(В)|)а п ^/(П J осмотрим, в каких пределах может изменяться это соотношение. Раскроем (по теореме косинуса) числитель отношения (155) (U/(ij+/y(2j|) = 1ц\} 4- itfzf Ц- 2/f(lj//(2)COSTp. (a) Здесь ;,(1) и !,m. I,m и I,m — векторы токов прямой и обратной иоследо- вательностей и их модули, соответствующие -J— g ___________ моменту времени Z; //о) —/>(1) и /7(2» —/Э(2) средние значения квадратов токов прямой и обратной последовательностей или эффек- тивные (среднеквадратичные) значения этих токов в квадрате. соШадХф”“(™ S’-ТТ б™а«™'тать случай, когда „ 1т “ «опипеиежжду ними, т. с. коэффициент грузки Поскольку а'' ^ПеТ оставаться неизменным при изменении ла- T&Z ПО1“ ’ЬК! "PH всех условиях ;,,21=а;/,(|ь т0 „ = а; (155) 178 '< (01ц!> -«I Ml, - а, />(!|. (б)
Подставив значение (б)_в_вь1ра>кен|1е (а). ,1а1-1Лем; (|4d> +Лю|)г = + /sm). Если же, наоборот, принять, что i „ , друга и, кроме того, угол й может славной ягтет.Л те зависят друг от значите от 0 до 360", то вероятностью прткмэть любое /><1>/«ИСОЗЧ>= /((!|СО5Ч>= '<1, /<: ео5ф . (г) Но так как созф =— J oos^<ty = 0. то третий член выражения (а) обра- щается в нуль и ll'xo+tair (д) Выражение (д) соответствует наиболее легкому случаю по нагреванию Следовательно, интересующее нас отношение (155) будет лежать в пре- делах: * ,2 =~ <-------Z2-----. (155) 'Э<*> Jl(l) IS(1) Судя по некоторым опытам {52[, ближе к истине лежит минимальное значе- ние этого отношения. Вывод, сделанный коллективом сотрудников ОмИИТа из проведенных экс- периментальных исследовании о том, что* влияние тока обратной последователь- ности практически не зависит от тока прямой последова ьности, также под- тверждает приемлемость такого допущения. Время, за которое следует брать это значение, очевидно, должно на- ходиться в соответствии с постоянной времени машины, на которую дейст- вует рассматриваемая несимметричная нагрузка. § 24. ВЛИЯНИЕ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ При расчетах несимметрии напряжения обычно принимают, что линия передачи, питающая тяговые подстанции, сама получает питание от питающего центра (ПЦ) бесконечно большой мощности с симметричным напряжением на шинах. Поэтому напряжение прямой последовательности на этих шинах рав- но номинальному напряжению, а напряжение обратной последовательности — нулю. В общем случае напряжение прямой в обратной последовательностей у любого потребителя н, в частности, на шинах тяговых подстанций равно на- пряжению прямой или обратной последовательности на шинах питающего центра за вычетом падений напряжения соответственно прямой и обратной пос- ледовательностей в линии передачи. Как уже отмечалось выше, в симметричных цепях падение напряжения прямой последовательности вызывается только током прямой последователь- ности и падение напряжения обратной последовательности - только током об- ратной последовательности. Так как падение напряжения обычно составляет несколько процентов от номинального, то, как уже отмечалось, часто для оценки несимметрии принимают вместо напряжения прямой последовательности Просто поминальное. Что касается напряжения обратно» последовательности, то получается что у потребителя оно по абсолютной величине равно падению напряжения обратной последовательности в линии передачи и противоположно по знаку. Таким образом, мы приходим к выводу, что оценка несимметрии на- пряжения у потребителя ведется практически по значению напряжения обрат- ной последовательности около этого потребителя. Работа асинхронных двигателей в условиях несимметричного напряжения. Как показывают исследования, иссиммстрия напряжения приводит к умсньше- 7» 179
тс те н к увеличению его нагревания. Начнем кию шкаимлыюго • |Ю'Г| ^фазной системе напряжений с первого. Как известно, при с1®” Р сяС)а1цающссся поле с постоянной а Джлышм КРуГМОе =“- вел,..oil потока Прижсимметр ожию на пм круговых, меняется эллиптическим. П°^ соответствии с симметричными состав- вратаюшпхе» а различим °Г обпяпюй последовательностей. То н другое X OTw'X^Z’uure момекп.,. действующие в противоположных яа- ’“ЙХтлЛ ираиюидай момент астирогаюго двигателя пропорциона- лен кнХт“нр«»5ия на его зажимах. Поэтому приближенно «4»®™к"г KOI <“Е врашютяй момент М как разность двух моментов М =М1-М._, Т^рспориионалеи квадрату напряжения прямой последователь- но ш а М. квадрату напряжения обратной последовательности. Так как напряжение прямой поспслопателыюии близко к номинальному, то Л1,=сУ8, где с—коэффициент иропорционвльности, зависящий or стоянных машины. Соответственно M,-.cUl2,=c(aMf. где av — коэффициент иесимметрин напряжения. Следовательно, M-M,-M>-cl£(l-aS). (155) Отсюда следует, что если ац достигает 0,1 (т. е. 10%), а это в условиях экс- плуатации уже достаточно высокое значение, то изменение момента соста- вит не более 0,01 (т, е. 1%). Другими словами, практически встречающие- ся величины иесимметрин напряжения не оказывают сколько-нибудь заметного влияния ий максимальный вращающий момент асинхронного двигателя. На нагревание машины напряжение обратной последовательности оказывает значительно более сильное влияние. Объясняется это тем, что сопротивление обратной последовательности асинхронного двигателя много меньше сопротив- ления прямой последовательности, поэтому даже при небольшой величине на- пряжения обратной последовательности ток обратной последовательности получается большим. Незначительное же влияние его на момент объясняется тем, что сопротивление обратной последовательности почти целиком нндуктив- ° 0ПРеделя2тся практически почти для двойной частоты (вследствие тп'я 1Я по,'1и обратной последовательности в сторону, противоположную Враще,1“я синхронного поля, С той же скоростью). Поэтому чается okSoO двягателя для пР»мой последовательности полу- несмотря'ш боты.юй аТН°И ^адователыюсти он близок к кулю Тогда, момент) ничтожна. К’ ктнвная мощиос'гь (а следовательно, и вращающий ыше мы уже отмечали, что при одном и том же коэффициенте иесимметрин р жений аи _ угол ф между симметричными составляющими прямой "а’>^УД«-ето^у^В^^^тнгЛЛИХл’е,"лХ^’аэ можетбьгп> различным. ДлЯ ной последователыюстей совпадуг пf**0™1 статоРа токи прямой и обрят- ходить номинального n сУммаР,1ЫЙ ток нс должен превос- в виде упомянутом исследовании (<501 это условие записано Ao+I(2)=;/„. (157) Здесь, как следуй из взложеиюго выше, Ц& _avt7„ (158) ISO
Там же показано, что сопротивление обратной последовательности несколько меньше сопротивления короткого замыкания Приняв, что ~ ~ Ки Z- = аи 11 п°Дставив это выражение в (157), получим допустимый ток прямой последовательности Ai}=Ai—аи/к==7ц ^1 — (159) Примяв кратность тока короткого замыкания (по отношению к номиналы ному току двигателя) равной р, авторы предложили расчетную формулу допу- стимого тока прямой последовательности: и отсюда — таблицу -у-(табл 18). Из таблицы видно, что при кратности тока короткого замыкания двига- теля Р = 5 и ct(j = 20% располагаемая мощность двигателя (иля допу- стимая нагрузка) равна нулю. Значения табл. 18 дают, возможно, несколько уменьшенные величины допу- стимой нагрузки, так как принимал- ся равным нулю угол между токами прямой и обратной последовательностей одной фазы и не учитывалось распре- деление тепла между обмотками этой на- гретой фазы и обмотками других фаз. (160) О.Co 0,85 0,80 0,75 0 55 0,40 0.25 0,40 Для условий тяговой нагрузки несимметрия будет все время изменяться по величине л углу и различные фазы поочередно будут загружаться то больше, то меньше. Если заменить геометрическое сложение токов прямой и обратной после- довательностей арифметическим (что поведет к уменьшению допускаемой нагрузки), а с другой стороны, пренебречь тем, что определенные фазы будут греться больше других (что поведет к увеличению допустимой нагрузки), то для первого приближения (см. § 23) можно было бы в качестве расчетной иесимметрин Припять среднее квадратичное ее значение. Эмпирическая формула Каминского и Лебедева (51 ] дает допустимую нагрузку в виде ,+в»р где Р„ — номинальная мощность двигателя. Остальные обозначения те же, что и выше. Легко видеть, что и здесь при ац = 0,20 и р = 5 полу чим Рдоп = 0. При остальных же значениях av допустимая мощность получается несколько выше, чем по формуле (160). Из этих двух формул делается вывод, что уже при небольшой иесимметрин напряжения может оказаться более вы- годным отключить одну фазу статора и заставить даигатель работать в одно- фазном режиме, при котором (50) момент может достигать 704-80% номиналь- ного. Из всего этого авторы делают заключение, что несимметрия напряжения более 5% недопустима ни в каких случаях. Пожалуй, наиболее полным исследованием, посвященным работе асин- хронных двигателей в условиях питания от системы энергоснабжения железных дорог, можно считать работу А. Л. Церазова и др. [52]. Первом отличительной особенностью этой работы является то, что автор не счел возможным изо- лированно рассматривать ряд факторов, в частности, несимметрию напря- жения, оказывающих алиянне на увеличение нагревания двигателя. Основная идея работы заключена в том, что не может быть вообще какой-то единой нормы иесимметрин напряжения на двигателях. Например, эта норма может быть 1Я|
гаи двигатель работает при номвнмыюм напряжении и токе, и ниже, гаи ок работает при пониженном напряжении и, следовательно, уже при боль- 0 г '! I I а е “ Рис 128. Влияние постоянной несимметрии на- пряжения на относительное снижение срока службы (D) В указанном нсслиоваияи автор распространил метол симметричных сет ставляющпх как иа основную частоту, так и иа высшие гармонические. 11ссле- шпания привели к выводу, что практически оказывают влияние дополните.™- иые потери анергии только в обмотках двигателя. Дополнительные же потери встали ничтожны. В описываемом здесь исследовании автор исходил из условия, что двигатель при симметричном на- пряжении загружен на номинальную мощность и может согласно нормам работать с пониженным на 5(и напряже- нием. Для представления о том, как влияет несимметрии напряжения [на срок службы двигателя, приводится соот- ветствующая зависимость в виде кривой для постоянной (т. е. не перемежающейся по фа- зам) несимметрии и угла между основными векторами прямой н обратной последовательностей, равного нулю (рис. 128). Постав- ленную задачу можно было ре- шить, лишь установив иа осно- ве широких наблюдений резервы мощности у работающих прн нормальных условиях двигате- лей. На основе фактических двн- ных автор пришел к выводу, что резерв по тепловому запасу у „ Т1 двигателей отсутствует. проект ЮСТ «Нормы качества электрической энергии» [53] основывает- ся на этих исследованиях [52]. Проектом предлагается следующая формула1 для определения коэффициента увеличения нагрева асинхронных двигателей: Ь=уД1/—д(ДЦ)»-|- (162) Ь !^^йЦвС%-УВеЛИченИЯ нагРеиа обмоток статора асинхронныхдаи- U — ж1стчт»»Й5йммЕ*1,ое™ ° “ ||0мииаль1га10' последовательности в »,S прямой или обратной *-порядковый номер гармоники ‘„™ напряжения-, пряжения, •у » « - коэффициенты, эаввеящие от крат- ное™ тока холостого хода дв,„. теля 10 по отношению к его ночи нальному току (та5л 1Э) =:iS~==--= Щих обратной последовХет?мАгОСТаВЛЯЮ‘ НУС ~ Для составляющих а м’" вательности гармонию рямои П0СЛеД°- 0—0,25* 0,25-0,35 0.35—0,45 0,45—0,55 5-1-0,032 0,42 0,026 0,24 0,016 0,11 0,015 0,02 0,015 0—0.25 значения коэф- фицнмтоо взяты из { Б21. 2 Вопросы сш13здныеЯс несиотт® °Т "росКга стандарта раеематрм.ст» , , „ «"УЗДКИМ»™,» »«, „р„ Danp„„„„„b„„x иил>о-
р р°екте Г0СТ Шагается считать длительное напряже- ние обратной последовательное™ в пределах 2% от ном.шального допустимым для любого трехфазного симметричного токоприемника. На зажимах же асин- хронных двигателей допускается такое напряжение обратной последователь- ности, прн котором коэффициент увеличения нагрева нс превышает 6%. Если в формуле (162) положить Д4/=0 н Uh=0, т. е. принять во вни- мание только несимметрию напряжения, то Л=1,54Ц2), (163) а положив b-—Q°v, получим максимально допустимую асимметрию на- пряжения ^>=-^4 «4 %. (164) Согласно этому же проекту ГОСТ на зажимах электрических двигателей допускается отклонение напряжения в пределах от —5 % до 1096. При этих условиях и при синусоидальном напряжении (47* = 0) допускаемая несиммет- рия уменьшается до 396. Несимметрпя напряжения приводит к снижению к. п. д. асинхронных двигателей. Так, прнаи =596 к. л. д. снижается [50] ша 1,5-?2,096. Как уже отмечалось, напряжение обратной последовательности вызывает токи обратной последовательности, которые, суммируясь с токами прямой по- следовательности, приводят к увеличению нагревания двигателя. Прн этом на- гревается больше та фаза, где суммарный ток получается наибольшим. Совершенно ясно, что величина суммарного тока в фазе двигателя зави- сит от угла между токами прямой и обратной последовательностей. Этот угол, в свою очередь, зависит от угла менаду напряжениями прямой и обратной после- довательностей. В приведенную выше формулу (162) не входит значение угла между напряжениями прямой и обратной последовательностей. Объясняется это тем, что, основываясь на некотором опыте в качестве первого приближения, автор 152 ] допустил, что этот угол может изменяться в пределах от 0 до 360°, принимая с равной вероятностью любое значение. Такое допущенве, само собой разумеется, не идет в запас, так как в действительности, какая-то одна из фаз может нагреваться больше других. Входящие в формулу (162) величины 47(2) и 47* принимаются усредненные, точнее—эффективные. Влияние несимметрии напряжения на осветительные и другие бытовые однофазные приемники. Согласно тому же проекту ГОСТ [53] неепмметрия напряжения для та- ких приемников допускается такая, при которой отклонение напряжения не выходит за пределы ± 5”6 от 47„ во всех случаях, а на зажимах ламп накалива- ния и люминесцентных, установленных в производственных помещениях и проектных организациях, — от —2,5% до F 596. § 25. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСИММЕТРИИ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ, ПИТАЮЩЕЙ НЕСКОЛЬКО ОДНОФАЗНЫХ НАГРУЗОК Общие соображения. Переход с трехфазной системы на однофазную осущест- вляется на тяговых подстанциях, поэтому степень неравномерности распреде- ления однофазной нагрузки между фазами трехфазнои системы зависит от схе- мы соединения трансформаторов, питающих тяговую нагрузку, и от числа тя- говых подстанций. Точно так же определение параметров всевозможных ис- кусственных схем симметрирования производится в зависимости от схемы сое- динения трансформаторов (и группы соединения) на тяговых подстанциях. При изучении несимметрии нагрузки, приходящейся на трехфазную систему, часто возникают вопросы о возможности добиться более симметричного рас- пределения нагрузки между фазами путем применения трансформаторов с раз- личными схемами соединения обмоток. Знакомство с некоторыми общими поло- 183
жениями помогает находить нужные ответы, не входя в рассмотрение схем сое- динения трансформаторов и токораспределения между обмотками. Тяговая подстанция во всех случаях получает питание от трехфазной си- стемы, а отдавать энергию может либо в однофазную систему (рис. 129), либо в две однофазные системы (рис. 130, Л — левая и Л —- правая). В зависимости от схемы соединения обметок трансформаторов внутри подстанции напряжения н токи однофазных систем Л н П могут быть сдвинуты на различные углы между собой. Приведенные две схемы (см. рис. 129 и 130) практически охватывают все применяемые схемы питания дорог однофазного тока промышленной часто- ты. В первой схеме (см. рис. 129), очевидно, должен быть применен однофазный трансформатор, а во второй — все остальные схемы, описанные в § 4 (при ко- торых напряжения в тя- говой сети смежных фидерных зон, примы- кающих к данной под- станции, не совпадают по фазе). При рассмотрении работы трехфазной си- стемы с несимметричной нагрузкой удобно поль- зоваться положениями теоретической электро- техники, трактующими вопросы мощности для такого случая, или ме- тодом симметричных со- ставляющих. Остановим- Рис. 130. Схема питания двух фидерных зон от трех фаз линии передачи. Обозначен ня позиции те же, что на рис. 129 рце. 129. Схема литания фидерной зоны от двух фаз линии передачи- I —лтаия передачи; 2—тяговая подстанции: 3 — ко1ггоктнпя сеть; 4—рельсы ся вкратце на первом ». ИЗ них. Мощность трехфазнои системы с несимметричной нагрузкой. Из теорети- ческом электротехники известно, что мощность однофазного потребителя может быть представлена синусоидально изменяющейся функцией с частотой в два раза превышающей частоту напряжения и тока. Так, если напряжение и ток могут быть представлены выражениями: sin <>rf и i=Im sin (и/ — ф), то мощность p^-^fcostp—cos(2<irf —ф)], (165) или через действующие значения 67=-^- и 1 — —g • V 2 У 2 p=t7/cos(j>—(7/cos(2<o/ —ф), (166) или ’ Р=р'-\-р", (167) где первое слагаемое р'=—-^/--costp представляет собой постоянную часть мощно™, » торое-^^со,^-.«-колЕб.«щу10с„ с дюй,юй частотой (рис. 131). Среднее значение активной мощности равно постоянной части Р-------г§-^’ С0£ cos Ч>, (168) 184
Рис. 131. Кривые изменения по вре- мени мгновенной мощности однофаз- ного тока- /—суммарная мощность; Я—постоянная составляющая; S—колеблющаяся состав- ляющая так как среднее значение второй части, изменяющейся по синусоиде, равно нулю. Изменение угла сдвига фаз ф различным образом влияет на первую и вторую части. При изменении ф от нуля до первая часть (постоянная) изме- няется от величины до нуля. У второй части (колеблющейся) амплитуда не изменяется н остается равной —™ меняется только угол начальной фазы, т. е. вся кривая мощности перемещается вдоль оси абсцисс. Вследствие колеба- ния мощности у вращающихся машин однофазного тока (генераторов и двига- телей) вращающий момент получает переменную величину. Таким образом, система однофазного тока является неуравновешенной си- стемой. Степень неуравновешенности системы определяют отношением амплиту- ды неуравновешенной части мощности к полной (кажущейся) мощности. В данном случае ар=1. (169) В общем случае при неравномерной нагрузке трех фаз трехфазной цепи кри- вую общей мощности можно получить, сум- мируя кривые мощности отдельных фаз. Но так как кривая мощности каждой фазы может быть представлена суммой двух сла- гаемых — постоянной и изменяющейся, то можно отдельно сложить постоянные и из- меняющиеся части. Известно, что сумма трех кривых, изменяющихся по закону си- нуса с равной частотой, даст новую сину- соиду, изменяющуюся с той же частотой. Отношение амплитуды этой сину- соиды к сумме полных мощностей фаз и определит степень неуравновешенности рассматриваемой системы. В частном случае — равномерной нагрузки всех трех фаз (/л—Ir—Ic 11 фл=Фд=фс) — сумма трех постоянных частей даст общую мощность Р=р'|+й+₽з=3-^=-с“Т. (170) а заменив максимальные значения Um и 1т через действующие, получим Р=ЗС//созф, (171) где U и 1 — фазные значения напряжения л тока Переходя к линейным значениям U, и /„ получим известкую-формулу мощности трехфазнои системы /З- 17, /дСОБф. (172) Сумма же трех синусоид с равной амплитудой, сдвинутых относительно друг друга ла угол 2", даст синусоиду с амплитудой, равной нулю, т е прямую, совпадающую с осью абсцисс. Степень неуравновешенности в этом ст\ - чае равна нулю. Итак, мощность при однофазной нагрузке—величина всегда не постоянная по времени, а изменяющаяся по закону синуса (рис. 132, кривая /). Мощность же при равномерной трехфазной нагрузке, наоборот, постоянная величина по времени (рис. 132, кривая 2). Отсюда можно сделать заключение об условиях, при которых принципиально возможно Преобразование трехфаз- ного тока (при равномерной нагрузке) в однофазный (или наоборот). Такое 7В. х Г. Марквардт '
ми «о™ ° xSS 8и=р™ е те™ № S будет запасаться в каком-то устройстве па тяговой подстав- ки Хом отдаваться потребителю в следующую часть периода. Такой процесс ™"™“ыю возможно осуществить только в тех случаях, если преобра- Ха™ "Тргии иа пдаищип производятся при помощи вращающихся ма- шш (за стет изменения запаса кинетической анергия вращающихся масс , либо если в схему включены емкости (за счет энергии электрического поля), или индуктивности (за счет энергии магнитного поля). Отсюда ясно, что добиться преобразования однофазной нагрузки в равно- мерную трехфазную каким угодно соединением обмоток трансформатора или трансформаторов невозможно. Кривая мощности при несимметричном нагрузке трехфазиои сети может быть представлена также двумя слагаемыми (постоянной частью и колеблющей- ся по закону синуса). Интересно отметить, как изменяется соотношение постоянной части и пе- ременной при нагрузке одной, двух или всех трех фаз. Это удобно показать на частном слу- чае, когда нагрузки, возникающие на отдель- ных фазах, равны. Для однофазной нагрузки мы это уже разобрали выше [см. формулу (166)1. При двух равных однофазных нагрузках, присоединенных к различным фазам трехфазиои цепи, постоянная часть удвоится, а переменная останется неизменной. Последнее можно видеть из того, что сумма двух синусоид, сдвинутых 2л на угол -д-, должна дать синусоиду, равную и противоположную по фазе синусоиде третьей фазы. Таким образом, при пита- нии двух равных однофазных нагрузок, сдвинутых по фазе на угол (120°), колеблющаяся часть относительно постоянной уменьшается в два раза и сте- пень неуравновешенности становится равной ар = х/8. При изыскании раз- личных средств для уменьшения иесимметрин нагрузок отмеченные особен- ности могут представить существенный интерес. Выше мы пришли к выводу, что невозможно создать трансформатор (или схему соединения трансформаторов), который позволил бы превратить однофаз- ную нагрузку в симметричную трехфазную (см. рис. 129). Теперь рассмотрим возможность получения симметричной нагрузки трехфазной цепи при питании двух однофазных цепей (см. рис. 130). Мощность каждой однофазной цепи мо- жет быть представлена синусоидально меняющейся величиной (см. рис. 131). Совершенно ясно, что суммарная мощность обратится в постоянную величину (равную сумме постоянных мощностей составляющих двух однофазных цепей) только тогда, когда взаимно компенсируются колеблющиеся составляющие поста обеих цепей (см. рис. 130) Ап “ — Рп- Наличие в трехфазной системе трех напряжений, сдвинутых друг относи- тельно друга на 120°, дает возможность путем того или иного соединения транс- форматоров с различными коэффициентами трансформация получить напряже- ния в двух однофазных цепях, сдвинутые на угодный нам угол. Это обстоятель- ство различными авторами использовалось для предложения схем, позволяющих получить симметричную нагрузку трехфазной системы. Примером может слу- жить трансформатор Скотта. Посмотрим, в каких пределах может изменяться угол между напряже- ниями первой однофазной цепи Un и второй £/п при соблюдении условия 186 Рнс. 132. Сравнение изменения по времени мгновенной мощ- ности однофазного (1) и трех- фазного (2) тока (173)
(173) (пр™е„„телыю к рие. 130) какова завис,шесть этого угла от утлое сдвига фл н фП в тех же однофазных цепях. Воспользовавшись уравие- нием Л65k МОЖНО ДЛЯ ПРпклй nnimA™»,» _______ _______ " 1 .....- ценил. ВОСПОЛЬЗ нием (165), можно для первой однофазной цепи написать _ _^ЛилЛлЛ г ~ Рл----2— [cos — cos (2«/ — ф , где постоянная часть '__ U/nJi ItnJ] „ Рл~ —2-----С05Фл и колеблющаяся часть ____ 1ЛпД 1тл Рл= —2-----cos (2<ot — фл). Если теперь для второй однофазной цепи принять, что напряжение Un отстает от Un на угол 0, то и •п^А.п5'"^ —е —Фп) (будем считать, что при 0>0 Un отстает от Um л при 0<О Un опере- жает Uj\). Отсюда Pn= --J-—[«»7п-соз(2ш/.-7(1--фп)|г где постоянная часть . Untn/тП ₽п= —2—С05фп н колеблющаяся часть Для выполнения условия р^=—Рп, т. е. СОЗ (2».' - Тл)= - ^"”^^-003(2^ - 20--Фп). (174) (175) (176) (177) (178) (179) ИЛИ должны быть равны между собой соответственно амплитуды и углы. Тогда cos (2tirf — фл)=соз (2и/ — 20 — Фп ± л) фп —Фл= —26±п. Так как фп —фп не может быть по абсолютной величине больше л, то, следовательно, при 0 > 0 во второй части равенства перед л должен быть знак плюс и при 0<О перед л—минус. Далее л Фл -Фп , п 0=--------------------------2—±2 (180) Так как ф,,— фп может изменяться от 4-я до —я, то —я<0<я Графически зависимость (180) представлена на рис. 133. Линия, лежа- щая правее осп ординат (0 > 0). относится к случаю, когда Un отстает от Uл, а линия лежащая слева, —к случаю, когда Un опережает ил(6<0). Если всегда через (Ул обозначать напряжение опережающей фазы, то доста- точно иметь только правую прямую и соответственно в уравнении (130) л только знак плюс перед 7В* 187
п тп₽»Л1яанпй цепи двух однофазных цепей (см. рис. 130) При питании от тРе*Ф^"® б п^офазных цепей для уравновешивания колеблющиеся части мощное „пи всех условиях. Следовательно, равно- должны быть равны «W io'SX ^npH равных пмп« Z‘ naS> «X. когда углы сдвиг,, фаз обеих однофазных нагрузок (при равенстве полных мощностей) равны, т. е. фп = ЧРл, У™ 6 = ± т. е. одна однофазная система должна быть повернута относительно другой на ИР, иначе, - эти две системы должны представлять одну двухфазную слете- му Па использовании этого положения и построен принцип действия трансфор- матора Скотта. На рис. 133 ~<¥л - Ул) Рнс. 133. График изменения с>л—?п==/(®) Для обес- печения равномерной нагрузки трехфазной системы значение 0=±-£ дости- гается ТОЛЬКО при фд = фп (точки А и Л1). В электротехнике мно- гофазные системы подраз- деляются на симметричные и несимметричные. Как из- вестно, система является симметричной, если углы сдвига между отдельными л. 2л фазами системы равны —. При равных значениях мощностей отдельных фаз такие системы всегда урав- новешены. Описанная двухфазная система не яв- ляется симметричной, так как при tn = 2 угол сдвига л ( 2л\ равен g (т. е. меньше Но все же эта система является уравновешенной (при равных однофазных нагрузках), так как мощность пульсирует с двойной частотой и, следовательно, уравновешивание колеблющихся частей достигается и при 6 = ± Рассмотрим теперь (см. рис 130) случай, когда 0 - (например, схемы рис. 19 и 22 из главы 1). Конечно, и здесь будем предполагать равенство ампли- туд мощностей. Согласно выражению (180) 2п _ Фд-Фп л 3 = 2 ' 2 ’ откуда »п“Ч,л-^. (181) 12*“П««фвзно8 системы получают витайте да одаофазпых иярЛ,геля, потребляющих равные токи (при р,.. мо- дулях Ил п Un), и угол сдвига фаз у второго (.штасмого от отстающей фазы) на у меньше, ,ем у первого, то трехфаз,юя система „агружается равномерно. 188
Из рис. 133 видно, что при 6= ±равномерная нагрузка трехфазной системы достигается при фл— фп=4:у- Из выражения (181) следует, что при угле первой нагрузки, лежащем в пределах 0<фл<60°, угол фп<0, т. е. в этом случае нагрузка 7П должна быть емкостной. Если 60°<фл< <90°, то Фп>0 и нагрузка /п должна быть индуктивной. В частном слу- чае, когда фл = 60°, фп = 0, т, е. нагрузка /п должна быть активной Для примера в табл, 20 приведены значения созфп и фп второй на- грузки при различных значениях cos фл и ф,, первой нагрузки, удо- влетворяющие уравнению (181). Степень несимметрии токов может быть измерена степенью неуравновешенности мощности. В сбщем случае мгновенное зна ченне мощности трехфазной си- стемы равняется р=«лМ+«в»в+«с»с. Таблица 20 i ?л ?п С В Примечание 1,0 0 -60 0,5 Оперсжа ощпй 0,87 30 -30 0,87 0,7 45 —15 0,96 0,5 60 0 1 — Когда система напряжений симметрична, а токи несимметричны и система нулевой последовательности отсутствует, можно написать: uA^=Um sin at; 120°); «c=tZm sin М-240°); iA = /m< I) sin И — ф)+/т(5) sin (ы/ — Ф - ф), = Лп( 1) sin (©/ —120° — Ф)+/т(2) sin и — 240° — ф—Ф); sin (at — 240° - Ф)+ /m(2) sin (at - 120° - ф - ф), где и Z„1(2) —амплитудные значения токов соответственно прямой и обратной последовательностей; ф —угол между основными векторами токов прямой и об- ратной последовательностей; ф _ угол сдвига фаз токов прямой последовательности относи- тельно напряжения. Найдем значения мощности отдельных фаз: нл,л = U„ ЯП <Л,( „ ЯП («м/ - ф)+Ц, sin ю//„к1 sin (и/ - * - ф); (а) i,aia=t/„ sin (<а/- 120°) Z„<11 sin (<а( -120” - Ф)+ -1 U„ sin (<aZ -120°) /«a si" К - 240"—ф - Ф); ucic= U„ sm К - 240°> /"'‘>sin ~ 240° ~l₽,+ +U„ sin(<a/ —240") /„(!)sin(<oZ—120”—ф — ф). (o) Путем несложных преобразоаанш) можно вокааэть, что сумма первых w нов в выражениях (а). (б) и (о) равна Зи/|пСО5ф. а сумма вторых членов — 3W(!) cos (2«>1 — Ч> — Ф) Итак, после преобразований общее выражение мощности будет иметь вид P„3W(1I cos Ф— 3Wra cos (2ш/ — ф - ф). (182) 189
Следовательно, при симметричной систеь системе токов средняя (активная) мощность и дователыюсти, а колеблющаяся токами Амплитуда колеблющейся части равна напряжений л несимметричной еделяется токами прямой после- обратной последовательности p'„=2Ulm, (|83> 8 полная мощность (кажущаяся) Р=ЗШ(и (184) и отсюда степень неуравновешенности _ 1т (185) р - ЗШ(1, 1,„ ' Следовательно, при трехфазной симметричной системе напряжений и несиммет- ричной системе токов степень неуравновешенности мощности равняется коэффи- циенту несимметрии токов. В ряде случаев этот вывод позволяет наиболее коротким путем приходить к некоторым важным заключениям. § 26. КОЭФФИЦИЕНТ НЕСИММЕТРИИ ТОКОВ ОДНОЙ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ При питании однофазной тяговой нагрузки от трехфазной цепи, как уже от- мечалось выше, находят применение две различные схемы питания. В первой из них (см. рис. 129) подстанция питает одну однофазную цепь, а во второй (см. рис. 130) — две однофазные цепи. С точки зрения определения несимметрии вторая схема представляет более общий случай, так как достаточно положить в ней нагрузку одной из двух однофазных цепей равной нулю, как мы получим случай питания одной однофазной цепи. Для большей общности выводов бу- дем считать, что напряжение правой однофазной цепи отстает от напряжения левой на угол 0 и потребляемые ими мощности различны. Воспользуемся уравнениями (174) и (177). Заменим в jinx максимальные значения (U„ я /„) действующими U и („=/2 /) и, сложив р„ и рп> получим (приняв Uj\—Un=Uy Рл+Рп-!7 ('л «вфл+/пcosф„) - U [/,. cos(2Ш/ — фч) + +/ncos(2M< —20 —Фп)], (186) где постоянная часть равна р'т=О(/лС05фл с/пС05фп) и колеблющаяся [Ап cos (2w< — <РЛ)+ Ai cos (2(oZ — 20 — <рп)]. Сложив геометрически известным способом (по теореме косинусов) /л и /п в выражении р’ и обозначив угол между их равнодействующей и вектором напряжения через фо, можно постоянную часть представить в виде р —О /=,- 2)л(пСО5(фл— фп) COS4>j. (186') Сложив аналогичным образом /л с 7П в выражения р" и обозначив угол между равнодействующим вектором и вектором напряжения через <2а1 — ф.) представим и колеблющуюся часть в виде P'“U У'л + 'г + 2;л,п<:гл(2(1-; Ф„- -ФЛ)СО5 (2к>/ — ф'с). (186’) Определим полную мощность нз (186'), положив СО8<Й= 1; пандем также амплитуду колеблющейся части из выражения (1В6#), положив cos (2ы< - — Фо)-1. Взяв затем в соответствии с формулой (18S) отношение второй
величины н первой, получим степень неуравновешенности мощности трех- фазнои системы] или равный ему коэффициент несимметрии системы токов ,187. | '5+'5п+Ч.'1,«»(фл-1>п) • Разделив числитель и знаменатель подкоранного выражения (187) на /л и обозначив получим у/ l+Pa-b2pcos(28+yn —Фл) Г 1+₽’+2₽со8(ч>л~фп) ‘ (188) Эта формула является общей для коэффициента несимметрии при питании двух однофазных нагрузок от разных фаз трехфазной системы. Обратим внимание на то, что для вывода этого выражения не встретилась необходимость рассмат- ривать схему соединения трансформа- торов иа подстанции. Другими словами, из формулы (188) вытекает, что коэффи- циент несимметрии токов остается оди- наковым при схемах включения вторич- ных обмоток трансформаторов откры- тым (неполным) треугольником (см. рис. 22) или замкнутым (полным) тре- угольником (см. рис. 19). Если принять фп=фл, то Рис. 134. График зависимости коэффи- циента несимметрии тока подстанции от соотношения нагрузок на примыкаю- щих фидерных зонах У l + P24-2₽cos20 Г+Р (189) Для схемы Y/Д (рис. 19 и 21) 0=60°, а для схемы V/V (рис. 22) 0=—60°. Если поменять местами присоединение подстанций к фазам ЛЭП А и С, то при обеих схемах у 0 изменится знак, что не повлияет на окон- чательные выводы. Следовательно, Зависимость а,=/(р) представлена на рас. 134 пунктирной линией. Для трансформатора Скотта (см. рнс. 20) 0= 90 и 1-₽ Q'=r+r Зависимость а =1 (₽) представлена иа том же рис. 134 сплошной линией. Наоборот, при /Л=/П, а Фл*Ч>п поручней вместо (189) выражение , /Т+ж(20+Фп-фл) а> Г “1+соз(фл-фп) • Для открытого или замкнутого треугольника примем 0= — 60°: (191) (192) а. | / 1+COS(- 12О"+Ф„-Фл) V Г+гга(Фл-Фп) ' (193) 191
Зависимость а,=/(фл —ч>п) Дана на рис. 135 пунктирной линией. Из этого рисунка, между прочим, видно, что при <рл — q>n= 60° достигается; пол- ная симметрия, как это и было показано в предыдущем параграфе. Если в формуле (192) принять 6=60°, то пунктирная прямая расположится по второй диагонали прямоугольника рис. 135. Для трансформатора Скотта 0 - 90° и . [ 1—‘«(Фл-Фп) И 1-гсоз(фл-фп) (194) Зависимость а/=/(ф;1 — Для этого случая (при трехфазно-двухфазиом трансформаторе Скотта) дана на том Формула (187) может быть выведе- на и методом симметричных состав- ляющих. Однако в этом случае вывод приходится вести для определенной Рнс. 136. Векторная диаграмма для схемы открытого треугольника Рнс 135. График зависимости коэффи- циента иесимметрин тока от разности углов сдвига фаз па смежных фидер- ных зонах схемы соединения трансформатора. Рассмотрим случай включения нагохчок по схеме открытого треугольника (см. рнс. 22). В этом случае Л=/л; iB= —in— hi И /с=/'п. Следовательно, в соответствии с формулами (149) токи прямой и обратной последовательностей фазы A: v у [7л—а(1'п + /л) 4- fls7n]; (195) /л(2)= [/л—а-(/п + /л) 4- fl/п]- (196) Упростив, получим 4ai>-j[4i(1 -п)-/п(1-а)о]-1=5[(л_/пО] ()97) X'.формуль'(,44)|-а *-«-«•- U' = 1- (Л, (1 _ (о! _ о)] _ Lri [/л_ (1(J8) 192
Если совместить ось действительных значений с направлением вектора /л и заменить -у на 120°, то ток /п запишется выражением /п=/п«'1“'"’г’”л’ =—/№“"“ гМ°^’п+’л> =_/пС-«,!,л+’п-’л>. (199) Подставив это шражеяпе в (197) и (198) и используя (144), получим '«„-‘-=5(/л+/пе,^е-,"г'’+’п-’»>] = ^Т[/;,+,пе'»л-’п’]_ = ’Т? [/л+/” С“ (фл ~ М+''п (fa ~ fn)l. <И1°) откуда квадрат модуля IAW 'a<.l = |-K+2'n'nc“('fn-4>n)+/nl- <201) Ток обратной последовательности /лю = kz5l|,a+/„a—= = cos (120»—ч>„ + Фл) + U„ Sin (12<Г-ФП + фл)|. (202) откуда квадрат модуля тока /д(г) Цв> “§• (/’-| 2'и'Г1со!(1И>”-фп-|- Фл) + (203) Теперь можно написать выражение для коэффициента иесимметрин токов а = = 1 / 'л+'п+^я^^Чго-Фп+'фл) 'AU J/ /=+4+2'л'„со5(фл-фп) В частном случае при фп=фл коэффициент иесимметрин токов К'л+'п-'л'п °'- 'л + 'п или, если подставить —- = В, то 'Л _______ /14-У-Р «/- i+p (204) (205) (206) Как и следовало ожидать, выражения (204) и (187) при 0=—60° (для ряс. 22), а также (206) и (190), выведенные для одних и тех же условий, хотя и разлнч- ньадн методам», совпали. Если на рис. 22 поменять местами а£ и х2, т. е. заменить— CZec «а -1 Uвс (рнс. 136), это не отразится на полученных выводах. Аналогичные Результаты получены в трудах ряда авторов (87, 124) и др. Выше мы показали, что при одной подстанции коэффициенты кесимметрнн одинаковы для схем подстанции V/V и Y/Д. Кроме того, активная мощ- ность при симметричном напряжении создается только составляющими тока прямой последовательности. Поэтому, если мощность, полу чаемая от подстанций с Указанными схемами, равна, то равны и модули токов прямой последователь- ности, а следовательно, равны я модули токов обратной последовательности 193
Если же мы будем рассматривать линию передачи, питающую несколько подстанций то и в этом случае получим сходный результат для обеих рассматри- ваемых схем. Действительно, при схеме V/V от линии передачи получают пи- тание фидерные золы с напряжениями, которые совпадают по фазе с линейны- ми напряжениями п линии передачи Uab, Ubc, 1/сл(или повернуты на 180). При схеме Y/ напряжения в фидерных зонах будут совпадать по фазе с на- пряжениями VA. Ub, Uc (или будут повернуты на 180°). Если подстанции при обеих схемах будут располагаться в одних и тех же местах, то мощности, полу- чаемые фидерными зонами, останутся неизменными. Следовательно, и мощности в отдельных участках линии передачи также останутся одинаковыми при обеих схемах подстанций. Отсюда и вывод, что токи прямой последовательности в отдельных точках линии передачи будут одинаковыми при обеих схемах. Тоже самое можно ска- зать и о токах обратной последовательности. А так как падения напряжений прямой и обратной последовательностей в линии передачи есть произведение се сопротивления на токи соответственно прямой и обратной последователь- ностей, то на каждом участке между двумя подстанциями в линии передачи будет одинаковое падение напряжения прямой и обратной последователь- ностей. Так как, кроме того, нагрузки на фидерных зонах при равных cos ф будут сдвинуты друг относительно друга на 120° при обеих схемах, то, следо- вательно, и суммы падений напряжения как для прямой, так н для обратной по- следовательностей в линии передачи при обеих схемах будут одинаковы (более подробно см. § 39). § 27. ГАРМОНИКИ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ Из электротехники известно, что кривые переменного тока различных по- требителей и напряжения на их зажимах в ряде случаев отличаются от синусои- ды вследствие искажения, вызванного характером нагрузки отдельных потре- бителей. Несииусоидальная кривая тока или напряжения может рассматри- ваться как сумма синусоиды основной частоты (т. е. 50 гц) с синусоидами более высоких частот (высших гармонических), кратных основной частоте. Отношение частоты высшей гармоники к частоте основной синусоиды принято называть порядком А- этой высшей гармоники. Высшие гармоники в кривых тока и напря- жения получаются значительными, если от системы питаются потребители, имеющие мощные статические выпрямительные установки (ртутные или полу- проводниковые), особенно если в системе имеются значительные по величине емкости Такие потребители являются мощными генераторами высших гармо- ник. Появление гармоник в кривой тока, иначе —ее искажение, всегда связано с нелинейными элементами электрической системы. К числу нелинейных эле- ментов относят цепи со сталью и особенно, как мы уже отметили, цепи, содер- жащие выпрямительные установки. Напомним основные положения электротехники, которые приходится ИС- п’’. "Р“ Раететах' связанных с косинусоидальными токами и панряже- • - -Рижеиня U и = )/2 иЦ т (208) где 1к и t/*—действующие значения тока и 191 напряжения А-й гармоники.
Активная мощность при несинусоидальном напряжении и токе опреде- ляется как сумма активных мощностей отдельных гармоник, т. е. (209) где Ф*— Угол сдвига фаз k-н гармоники. Коэффициент мощности, по аналогии с тем, как это делается при синусо- идально изменяющихся напряжении и токе, определяют и в данном случае как отношение активной мощности Р к полной мощности S=L7. Тогда, использовав выражения (207), (208) и (209), получим для коэффициента мощности 2( Рл 2 fJJk c°s U i t / Ъэ co V (210) В общем случае это отношение меньше единицы и становится равным еди- нице лишь в линейных цепях с активным сопротивлением. Тяговая сеть обла- дает большим реактивным сопротивлением, а также активным сопротивлением, зависящим от тока (в рельсах), что приводит к дополнительному ухудшению коэффициента мощности. В случае если питание системы энергоснабжения электрической железной дорога производится от энергосистемы весьма большой (практически бесконеч- ной) мощности, можно считать, что напряжение этой системы остается синусо- идальным, хотя токн будут нссинусоидальными. В этом случае напряжения всех гармоник Uk, кроме первой (основной), обращаются в нуль, следовательно, и в уравнении (209) произведения для всех гармоник, кроме первой, также обращаются в нуль, и выражение (209) заменяется известным выражением для синусоидальных напряжений о токов P=lZi/1cosq>1. (211) Другими словами, в этом случае активная мощность передается только первой гармоникой. Тогда уравнение (210) изменится выражением ^itSS^-'lcosv,. (212) Отношение £=v, называют коэффициентом нскажетмя кривой топа. Слево- вательно. (213) kn =v/CO$q>t. Легко вилрть tiTo Д’. .Д" всегда меньше coscpj- § “Sb,x |цеп!.х (т, е. в цепях. ™P"“«P“mKI>K1P“’1 ОТ тока и напряжения) реактивные сопротивления цепи, индуктивное (214) и емкостное (215) Хск" акС АшС зависят от порядка гармоник». Следователь™, в полков сопротивление 2,= /S+4. <21С> где X^XU — Xch,
а также угол сдвига фаз . хк 4>A==arctg — гвЧ (218> тоже зависят от порядка гармоники. В этих выражениях: ы. = 2л fi, — угловая частота А-й гармоники; Й — 2Я/1—угловая частота первой гармоники, г L, С “-соответственно активное сопротивление для A-и гармоники, пк> ’ индуктивность и емкость цепи. Отсюда видно, что кривая тока не будет подобна кривой напряжения, т. е. процентное содержание гармоник тока не повторяет процентного содержания гармоник напряжения * Обратим внимание на одну существенную особенность работы цепи при нс- сииусоидальном напряжении Если цепь обладает незначительным активным сопротивлением (примем его равным нулю) и сравнительно большим индуктив- ным, то напряжения первой и А-й гармоник в соответствии с формулой (214) могут быть написаны Ui—fuLIi н Vk=kvtLIk, откуда (219) 1г k их Умножив числитель н знаменатель обеих частей равенства на У" 2, выразим уравнение (219) через максимальные значения: ^frmax __ 2_ , ^femax (220) I1 max A Ui rrax Отсюда следует весьма важный для практики вывод, а именно: в цепях, обла- дающих в основном индуктивным сопротивлением, отношение амплитуд гармо- ник тока (А-й и L-й) в А раз меньше отношения амплитуд напряжения тех же гар- моник. Следовательно, чем выше порядок гармоники, тем меньше ее влияние в кривой тока. Таким образом, индуктивности в цепи, к зажимам которой при- ложено несинусондальное напряжение, приведут к сглаживанию кривой тока, т. е. приближению ее к синусоиде. Обратную картину можно наблюдать при преобладании емкостного сопро- тивления. Пусть в цепи есть только емкостное сопротивление, тогда в соответ- ствии с формулой (215), переходя сразу к максимальным значениям, получим h тох=СйС1/| щах и Il; max=kvtCllк maj., откуда Ь)==4С4™ (221) 7 I max Oimax т. е. отношение амплитуд гармоник тока (А-й к 1-й) в А раз больше отношения SZSZi” T,om'K- ?РУП!МИ X» uenn укам'.шыс пвлепк» пр=^^мс“« = “™“loro “прт"Х индуктивном сопротивлении меньше приближается f *р,,вая TOI',‘I^.₽ отдаляется от синусоиды ’ а при емкостном —меньше Практически в тяговой сети поихсамтея «»«<»•. .. дуктивного, так и емкостного сопротнХпнй В ЛГ/ элемент™и как ""Z (21(9 « (217) полюс Сопроп,слепи ZyX« ° *орМ)""М“ w. - v i АыС) (222) 196
При некотором значении k=o может ия™™™ . женин, т. е. 4 может наступить явление резонанса налря- QaL'‘^C’ (223) zg~rag (224) 1тлаГ »0НИКа Т0Ка пР°явл,1етСЙ наиболее заметно. Полезно отметить, что при этом для гармоник с порядком k => q* и k ~ 1 абсолютные значения реактивного сопротивления становятся равными. Действительно, (225) Но из (223) следует, что q-vL = ~^ и —ы1, тогда уравнение (225) может быть записано в виде: (225’) т. е. реактивное сопротивление по абсолютной величине равно реактивному со- противлению для первой гармоники. Этот вывод интересен тем, что показывает, как изменяется реактивное со- противление с изменением порядка гармоники и, соответственно, как будут проявляться гармоники тока в кривой тока. Если для первой гармоники (основ- ной) сопротивление равно х1г то с увеличением k оно падает, обращаясь в нуль при k= q (резонанс напряжений). При дальнейшем увеличении порядка гармо- ники k сопротивление растет, оставаясь все время меньше сопротивления для основной волны н только при k = q* становится ему равным. При дальнейшем увеличении k реактивное сопротивление еще более растет. При этом, следова- тельно, с увеличением порядка гармоники k от 1 до q процентное содержание гармоник в кривой! тока проявляется сильнее, чем в кривой напряжения. Затем в диапазоне k от q до qz оно вновь снижается и при q"- содержание гармоник в кривых напряжения и тока становится одинаковым. При дальнейшем увели- чения k в кривой тока происходит сглаживание гармоник. Обычно прн расчетах цепей с постоянными параметрами несннусоидалыюе напряжение раскладывается на гармонические составляющие и соответственно Для этих частот находятся сопротивления. Затек! определяюттокораспределение в цепи для каждой гармоники напряжения отдельно, полагая, что действует только напряжение этой гармоники По приведенным выше формулам могут быть найдены действующие значения суммарного тока. В практических рас- четах иногда для упрощения заменяют несинусоидальную кривую (тока или на- пряжения) эквивалентной синусоидальной с тем же действующим значением. Лри наличии в цепи конденсаторов такая замена может дать существенную погрешность Если заменяются несинусоидальные кривые напряжения и тока, Действующие в некоторой цепи, эквивалентными синусоидами, то чтобы активная мощность, подсчитанная для этих эквивалентных синусоид, равня- лась бы действительной мощности, угол д> должен удовлетворять условию р cos jjj = Ьн* Генерируемые в выврямятыях гармоники перада.отся в трехфазиую сеть, где tothui^iot „екотсме спщяф,веские длятрехфамюГ, цепи особеппости. Если „апряжеикя "остамаюшие трехфазиую систему, сямметрвчвы (пусть «™вусо,дал,.„ы, во одинаковы по форме > сдашуты друг отиосятелыю друга "а 120"), то Осе гармоники одного порядки, если он кратен трем (* - 3, 6. 9. .), емпадаеттофамт с создают вужи5ю стстему. При гармоиигах порядка •« кр,тпи 0 т£ ихфазь.разл.ы в разлитых фазах системы. В атом случая
угол сдвига Ч>* между ними равен углу сдвигамежду основными волнам, умноженному на порядок гармоники, т. е. К. (226) Так как целое число периодов может быть исключено из рассмотрения то при гармониках с порядком, на единицу большим кроткого трем, -0.^= Рнс. 137 Изменение коэффициента мош- iiocTi! в зависимости от угла коммутации f / —api, наибольшем удалошн электровоза от подстанции (БО—60 км): 1—электровоз На сред- нем расстоянии от подстанции (20—30 км): 3— электровоз еблпаи подстанции *,= ^(3п + 1) = (2яп+^. т. е. можно принимать «»=^- (227) Следовательно, для гармоник fe= =4,7,10... порядок следования фаз сохраняется таким же, что и для основной волны- Если же порядок k может быть представлен в виде: k~3n— 1, то фл= (Зп — 1), откуда PS?') Это говорит о том, что порядок следования фаз гармоники порядка k =2, 5, 8, 11... противоположен порядку следования фаз основной гармоники. При несимметричных режимах работы системы распределение гармоник по фазам тоже происходит несимметрично и, следовательно, приходится иметь дело с гармониками прямой и обратной последовательностей. Гармоники тока прямой и обратной последовательностей вызывают дополнительный нагрев ге- нераторов, а гармоники напряжения прямой я обратной последовательностей приводят к появлению гармоник токов прямой и обратной последователь- ностей в асинхронных двигателях и также к их дополнительному нагреву. При применяемой на электровозах однофазного тока схеме выпрямления воз- никают гармоники всего нечеткого ряда. Поскольку преобразование переменного тока в постоянный производится на дорогах постоянного и переменного тока с помощью статических выпрями- телей, то в обоих случаях в тяговой сети и в линиях передачи возникают гармо- ники тока, которые оказывают отрицательное влияние на работу линий связи, в связи с чем приходится принимать специальные меры защиты от них (см. главу XII) В § 18 отмечалось, что при применении устройств продольной компенсации могут возникать субгармонические колебания тока. Эти колебания могут оказать недопустимое влияние на работу трансформаторов. Исследования влияния субгармоннк на трансформатор [ 1311 показали, что в режиме холосто- го хода он может потреблять из сети активную мощность доходящую до 70% от номинальной, при этом ток в 2—3 раза превышает номинальный. В литера- туре имеются указания [1321 о возможности достижения амплитудой тока субгармоник 8—12-кратного значения номинального тока. Субгармонические колебания на электрических железных дорогах [ 13! I Е ГЛ0ВИях переходных процессов, возникающих при включении Sы“ " выключателя „а электровозе или при малой его нагрузке и отключении другого электровоза, а также при переходе электро- воза на другую фидерную зоку * р (98
ДЛВ rS"." t;fra|ei"'™ колебаний приходится включая, парал- ЛМЧ0 компеисацни активное сопротивление, в 10 - — 30 раз превосходящее сопротивление конденсаторной батареи Гармоники напряжепвн и тока как случайные величины. Состав гармоник в токе фидера или в фазе линия передачи непостоянен я по величине и по фазе. Исследования, проведенные во ВНИИЖТе МПС (541, показали, что ттопе- тический анализ искажения кривых тока н напряжения в тяговой сети пр» ра- боте ряда электровозов в различных режимах на различном расстоянии от под- станции связан с большими трудностями, поэтому был избран путь экспе- риментального исследования на опытном участке и на модели с последующим обобщением ттгхпгчеиныу iwumiv J Рис. 139. Рекомендуемые ВНИИЭ кривые распределения относительных величин гармо- ник тока для тяговых под- станций железных дорог, элек- трифицированных на1 1—леремсаном токе- 2—постояп- НОМ токе Рис. 138 Кривые интегрального распределения ~ 100% яа стороне 110 ке тяговой подстанции дороги перемен- ного тока и на стороне 10 кв тяговой подстанции по- стоянного тока; / — при олноы электровозе переменного тока; 2—при двух элек- тровозах переменного тока; S—прк .постоянном токе кони распределения амплитудных и фазовых спектров от нагрузки одного и не- скольких электровозов. Эти исследования привели к ряду важных выводов. Установлено, что амплитудный спектр тока отдельного электровоза практиче- OTI не зависит от режимов работы других электровозов. Распределение коэффи- циента искажения практически подчиняется нормальному закону. При этом установлено, что математическое ожидание его равно 0,982, среднее квадратнч- ное отклонение соответственно 0,003. Учитывая ничтожное рассеяние коэффи- циента искажения, он принят постоянным и равным среднему. Учитывая не- большой относительный угол сдвига фаз первых гармоник, рекомендовано с не- значительной погрешностью геометрическое сложение гармоник заменить ариф- метическим. Таким образом, рекомендуется определять нагрузки элементов системы энергоснабжения как арифметическую сумму нагрузок_от отделимых электровозов Коэффициент мощности электровоза определяется при несину- соидальном токе и напряжении по формуле (210). Практически при расчетах ограничились первыми 13 гармониками. Результаты расчетов и эксперимента 1Ml14?'””.™ua''Cn.!r3Jeacl.i|bix ВНИИЭ (55), также непосредственно следует » кривой т01:“ "ля гагГИЖИ!““ м и"™х тюш' «№ (ми ™ ругой точке энергосистемы) непостоянен .. может рассматриваться как случайная величине Нарве. 138 привелепы кншве интегрального распре- Лр '/ ,аи1,ая вели * пячличиых гармоник (с порядком у) к амплитуде ₽№- 139 рекомеедуе- мыераспределим относительных величин гармоник тока.
Глава V ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ § 28. НАЗНАЧЕНИЕ РАСЧЕТОВ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ Назначение расчетов находится в неразрывной связи с требованиями, предъявляемыми к системе энергоснабжения (см. § 1). Пойдет ли речь о выборе системы электрической тяги, о проектировании электрификации нового участка или об усилении действующего — во всех слу- чаях возникает необходимость с помощью расчетов найти каивыгоднейшие схе- мы питании, параметры устройств энергоснабжения и проверить показатели работы системы в предложенных условиях. Для выбора параметров и опреде- ления показателей работы системы энергоснабжения необходимо распола- гать соответствующими методами расчета Под основными параметрами системы энергоснабжения обычно понимают число и месторасположение тяговых подстанций, число и мощность устанавли- ваемых на них агрегатов, сечение проводов контактной сети и его распределе- ние между’ проводами контактной сети (число усиливающих проводов и т.п.). Основные параметры при различных схемах питания получаются различными и могут быть найдены только применительно к конкретным схемам питания. Эти главнейшие параметры определяют параметры и других устройств системы энергоснабжения. От сечения проводов в большой мере зависит тип контактной подвески, длина пролета между’ опорами контактной сети, потребная несущая способность опор и фундаментов и т. п. Мощность подстанций и их расположе- ние определяют параметры вспомогательного оборудования, средств телемеха- низации и автоматизации и J. п Как указывалось выше (см. § 1), параметры системы энергоснабжения вы- бирают так, чтобы обеспечить надежную и экономичную эксплуатацию элек- трнфицированного участка. Под показателями работы системы энергоснабжедия как раз и понимаются такие величины, которые характеризуют надежность и экономичность работы даиюн линии. В число показателей входят, в первую очередь, отклонения и колебания напряжения (или шира — вообще сведевня о режиме напряжения) В тяговой сети, поскольку уровень напряжения определяет скорость дач- ™ "ра,>“Ну,“ сп°со6иость 11 надежность работы оборудования электроподвижного состава; во-вторых, потери энергии в устройствах^^энерго- снабжения. отреде.тающие экономичность |иботы этих устройств- птлее экая- вадентые значения токов, по которым оценивается гаЕ тет'ойчпюсть от- дельных элементов (проводов, изоляции обмоток траисфопьитопоп и т п > определяющая надежность работы н срок службы, т. е в котечво^сте-е н эко- номичность. К показателям работы относятся также козЛЬяц^.ть, хаадие- рнзующие надежность защиты от токов короткого эамыедиип1^ величии,потенциалов рельсов, величины ОлуздХ а тягово" “У") схемах защиты от них), коэффициенты «енммтнито£о?,ст, ( Р“ Ра“|Ч,|ь“ личных элементах системы энергоснабжении И ТОКов и напряжений в раз- ижлукцки, наводимые в смежных линиях'(гри й“™У'Ц’1е с|'л““за'|ыи0" ты) и др. ' , и Различных способах за»ш- 200
Показатели работы системы энергоснабжения непосредственно связаны с характером графиков движения поездов и .‘режимами работы системы энергоснабжения. Движение поездов осуществляется как по нормальным графикам, так и, в отдельных случаях, с полным использованием про- пускной способности. Основным режимом работы системы энергоснабжения является работа при нормальной схеме питания; при отключении одной или нескольких подстанций система энергоснабжения переходит в выпужде|шый режим работы. Параметры системы энергоснабжения должны быть выбраны так, чтобы: 1. При нормальной схеме питания имелась необходимая мощность для обеспечения всех возможных режимов движения на рассматриваемой линии (исключая редко возникающие тяжелые сочетания нагрузок) при полном соответствии мощности отдельных элементов друг другу. 2. Обеспечивалось качество энергии, необходимое для нормальной работы электрифицированной линии. 3. Имелся достаточный резерв, позволяющий при выходе из строя от- дельных элементов устройств системы энергоснабжения обеспечивать работу по нормальному графику движения, а при вынужденном режиме работы си- стемы энергоснабжения обеспечивать заданные на этот случай размеры движения. 4. При выполнении всех перечисленных требований обеспечивалась наи- большая эффектов ,ость капитальных вложений в денежном м материальном выражениях. § 29. РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПРИ НОРМАЛЬНОМ ГРАФИКЕ ДВИЖЕНИЯ Мощность, потребляемая отдельными потребителями энергии распределяет- ся по времени неравномерно (это особенно относится к электрическим желез- ным дорогам). В отдельные отрезки времени потребная мощность значительно превышает среднее ее значение за весь период работы. Поэтому, зная общее количество энергии, требуемое потребителем, еще нельзя определить необходи- мой мощности устройств системы энергоснабжения. Длительная практика эксплуатации энергосистем позволила установить методы оценки режимов потребления энергии различными потребителями. Наиболее удобной формой сведений о потребности в энергии являются гра- фики нагрузок потребителей в зависимости от времени. По роду нагрузки раз- личают графики активных и реактивных нагрузок, а по продолжительности времени, в течение которого регистрируется нагрузка, — суточные, месячные и годовые По месту регистрации нагрузок в энергетической системе графики могут быть потребительские и станционные, графики нагрузок отдельных частей энергетической системы (сетевые) и всей энергетической системы в целом. Обычно потребительские графики нетягоеой нагрузки имеют специфиче- ский характер для каждого рода потребителя (освещение, заводы, работающие с тем или другим числом смен, шахты и т. п.). В тоже время графики нагрузки всякого потребителя, взятые за разные сутки, в общем случае отличаются друг от друга. Такие отличия вызываются целым рядом различных причин. Для того чтобы отделить закономерные изменения нагрузки у данного потре- бителя от случайных, обычно при исследовании накладывают один суточный график нагрузки на другой, суммируя их ординаты за ряд суток и деля на число ЭТИХ суток При этом случайные изменения, вошедшие в гранки, компенсируют ДРУГ друга и с увеличением числа графиков теряют свое значение. Закономер- ные же изменения наоборот, выявляются все с большей четкостью и график получает определенный устойчивый характер- Этот устойчивый характер гра- фиков позволяет предусмотреть спрос на энергию со стороны потребителя В результате сложения ряда таких потребительских графиков получают графики нагрузки подстанций, лшшп передачи, электрических станции и энергосистем также имеющие достаточно устойчивый характер В качестве ' SOI
примера на рис 140 приведен типичный график активной и реактивной нагру- зок электростанции или энергосистемы. Для оценки графиков нагрузи! приме- няется ряд показателей (коэффициентов). И хотя они в основой были выведены для потосбите.тей с относительно устойчивыми графиками нагрузки, энергети- ческие системы применяют их и для оценки тяговых нагрузок, так как это поз- воляет совместно рассматривать режимы работы всех элементов энергосистемы. Коэффициент нодузки, или коэффициент заполнения графика. Этот коэффициент относят как к суткам, так и к году; он представляет собой отношение средней нагрузки Рср к максимальной за рассматриваемый про- межуток Времени Дввх a = --р- --- - 1 . Ртах ^щах Здесь Aw —коэффициент максимума нагрузки. Значение рассматриваемого коэффициента становится более ясным, если правую часть приведенного выражения умножить и разделить на число часов / данного отрезка времени (24 для суток и 8 760 для года): (228) Рис НО. Суточный график активной «’реактивной нагрузок электростан- ции или энергосистемы- /—активная нагрузки; 2—реактивная яа- максимальной нагрузкой обычно a = (228') В таком виде числитель будет пред- ставлять собой действительное количество выработанной или переработанной энергии, а зивменатель — возможное ее количество, если бы станция или подстанция все время работала с максимальной нагрузкой. Таким образом, коэффициент нагрузки характе- ризует заполнение графика, показывая в среднем, насколько велики и продолжи- тельны спады нагрузки против ее макси- мального значения. При установлении коэффициента под понимают не отдельные ее пики, а среднюю нагрузку за отрезок времени не менее яолучаса. Зная этот коэффициент н среднюю мощность потребителя, можно легко установить величину максимальной потребной мощности. Коэффициент попадания в максимум- Для оценки потребителя необхо- димо знать, какую мощность он потребует в часы максимума нагрузки стан- ции. так как именно эта нагрузка может определить необходимость уве- личения мощности станции. Коэффициент ₽, показывающий, какую часть своей установленной мощности требует от станции или системы данный потребитель в часы ее максимальной нагрузки, называется коэффициентом попадания в максимум. Если установленная мощность (суммарная мощность всех агрегатов, питающихся от данной энергосистемы, включая резервные) ряда подстанций—Руст, а мощность, требуемая в период максимума систе- мы,—ри то р= А- густ «я iJlpOAOj™,1TtJlb,,ncTb использования суточного или годового максимума нагрузки. Эта величина представляет собой (в часах) отношение переработаи- 33 Г°Д энергии Л к максимальной нагрузке Р„|ПХ подстанции угли станции) за данный период времени: Т = (22S) (230) 202
Под Рпшх здесь удобно понимать ту же величину, что и при определении коэффициента нагрузки а. Рассматриваемая величина Т|пах показывает, какое число часов должна была бы проработать электрическая станция или подстан- ция с максимальной нагрузкой, чтобы переработать количество энергии, рав- ное переработанному в действш-ельности. Эта величина, как п коэффициент нагрузки, характеризует график нагрузки, точнее говоря, его заполнение Умно- жив левую и правую части коэффициента нагрузки на число часов I, соответст- вующее рассматриваемому промежутку времени, получим откуда Ртьх Рщях' ^'mix=CCf, т. е. продолжительность использования суточного или годового максимума нагрузки равна произведеишо коэффициента нагрузки на число часов t за дан- ный период времени. Обычно показатель Т,пПх относят к году, тогда Г™, =S 760о= ^5-. (231) Таким образом, чем ближе Ттяк к числу 8 760 (числу часов в году), тем спокойнее, т. е. равномернее график нагрузки. Следовательно, увеличение числа часов (продолжительности) максимума нагрузки надо рассматривать как явление положительное. Для оценки характера нагрузки этот показатель при проектировании и эксплуатации энергосистем получил широкое распро- странение. Коэффициент минимума нагрузки. В главе Ill указывалось, что при рас- четах системы энергоснабжения возникает необходимость в определении воз- можных отклонений напряжения (как понижения, так и повышения его). Это необходимо для выявления условий работы электроподвижного состава, для выбора диапазона н средств регулирования напряжения, применяемых в пи- тающей энергосистеме и на тяговых подстанциях. Понижение напряжения обычно вызывается ростом нагрузки, а повышение— уменьшением ее. Для характеристики возможных снижений нагрузки (с целью определения соответствующего повышения напряжения) введем понятие коэф- фициента минимума нагрузки Лю1и. Последний определяется отношением ми- нимальной (в среднем за наименее нагруженные полчаса) нагрузки к средней, т. е. (232) 'П' Для характеристики графика нагрузки пользуются также отношением Дмк к Р,п|„. „ Специфические особенности графиков тяговой нагрузки. Как будет пока- зано ниже, для тяговой нагрузки приходится искать особый подход к оценке графиков нагрузки в, в частности, к определению приведенных выше неко- торых коэффициентов. Этот вопрос представляет исключительную важность как для оценки нагрузки, приходящейся на энергосистему, так и для определе- ния Мощности тяговых подстанций и сечения проводов контактной сети. По- этому его следует осветить более подробно. Различают электрифицированные дороги ш» участки с преимущественно магистральным или пригородным движением.