Распределение гармонических составляющих тягового тока в рельсовой линии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Продолжение табл. 2

Вид электротяги Тип РЦ Полоса частот, Гц 1ÍJCK, А

переменный ток 25 кВ, 50 Гц К25 15-35 0,250

Ф25 21-29 0,092

ОФ25 21-29 0,078

любой ТРЦ-3 408-432 468-492 568-592 708-732 768-792 0,021

ТРЦ-4 4462.5-4537,5 4507.5-4582,5 4962.5-5037,5 5462.5-5537,5 5517.5-5592,5 0,010

Проведённая экспериментальная проверка уровней помехоустойчивости приёмных устройств рельсовых цепей в лабораторных условиях и в условиях реальной эксплуатации подтвердила правильность разработанной методики расчёта и полученных результатов.

Список литературы

1. Сороко В.И., Кайнов В.М., Казиев Г.Д. Автоматика, телемеханика, связь и вычислительная техника на железных дорогах России: Энциклопедия. Том I. - М.: НПФ «Планета», 2006. - 736 с.

2. Аркатов B.C., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание. - М.: Транспорт, 1990. - 295 с.

3. Аркатов B.C., Баженов А.И., Котляренко Н.Ф. Рельсовые цепи магистральных железных дорог: Справочник. - изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1992. - 384 с.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ТЯГОВОГО ТОКА В РЕЛЬСОВОЙ ЛИНИИ

© Горенбейн Е.В.*

Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (ОАО «НИИАС»), г. Москва

В статье рассмотрен метод расчёта распределения гармонических составляющих тягового тока в рельсовой линии при электрической тя-

* Ведущий инженер ОАО «НИИАС», аспирант кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» Российской открытой академии транспорта Московского государственного университета путей сообщения (РОАТ МИИТ).

ге постоянного и переменного тока для участка железных дорог с кон -сольной системой питания. Приведена математическая модель для расчёта распределения гармоник.

Рельсовая линия представляет собой электрическую цепь с равномерно распределёнными параметрами. Особенностью рельсовой линии является наличие утечки тока в землю и непосредственно из одного рельса в другой через шпалы и балласт. Так как рельсы не имеют хорошей изоляции от земли, то обратный тяговый ток и его гармонические составляющие разветвляются на две части, проходящие по рельсам и по земле. Воздействие на аппаратуру СЦБ (рельсовые цепи и устройства автоматической локомотивной сигнализации) оказывает только та часть тока, которая протекает по рельсам. Распределение тока зависит главным образом от значений первичных параметров рельсовой линии - сопротивления рельсовых нитей пути и сопротивления изоляции, а также от места расположения нагрузки (электроподвижного состава) и тяговой подстанции.

Расчёт распределения гармонических составляющих тягового тока в рельсовой линии проводился с учётом наихудших условий, т.е. наибольшего возможного влияния на устройства СЦБ. Наиболее неблагоприятные условия будут иметь место на однопутном участке при консольном (одностороннем) питании, т.е. для варианта питания нагрузки (электроподвижного состава) от одной тяговой подстанции. В этом случае воздействие гармонических составляющих тягового тока электроподвижного состава на устройства рельсовых цепей и АЛС будет максимально [1].

При электрической тяге постоянного тока для подавления гармонических составляющих выпрямленного тока на тяговых подстанциях устанавливаются сглаживающие фильтры. Как известно, кривая выпрямленного напряжения кроме постоянной составляющей содержит гармоники, кратные 300 Гц (300, 600, 900, 1200 Гц и т.д.) при использовании шестипульсовой схемы выпрямления и кратные 600 Гц (600, 1200, 1800 Гц и т.д.) при двенадцатипульсовой схеме выпрямления на тяговой подстанции. Также в выпрямленном напряжении возможно появление гармоник, кратных 50 Гц (50, 100, 150, 200 Гц и т.д.).

В настоящее время применяют пассивные однозвенные и двухзвенные фильтры. На большинстве подстанций применяется однозвенный фильтр, который состоит из реактора, включенного последовательно в цепь тягового тока, и ЬС резонансных контуров, включенных параллельно контактной сети. Эти контуры шунтируют токи гармоник от выпрямителя и препятствуют их попаданию в контактную сеть и рельсы.

На железных дорогах постоянного тока в контактную сеть от тяговых подстанций подается положительный потенциал, а в рельсовую сеть через отсасывающий фидер - отрицательный потенциал. Сопротивление изоляции отсасывающего фидера постоянного тока в соответствии с инструк-

цией по защите от коррозии ЦЭ-518 должно быть не менее 0,5 МОм. Расстояние ме^ду смежными тяговыми подстанциями при электрической тяге постоянного тока составляет порядка 10-20 км.

Тяговая сеть переменного тока отличается наличием заземления отсасывающего фидера тягового тока. В соответствии с инструкцией по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных дорогах ЦЭ-191 отсасывающий фидер тяговой подстанции соединяется с фазой С тяговых трансформаторов, рельсами подъездного пути и контуром заземления. При этом сопротивление заземления отсасывающего фидера составляет порядка 0,5 Ом. Расстояние ме^ду смежными тяговыми подстанциями при электрической тяге переменного тока составляет 40-60 км.

На рис. 1 показана схема замещения для расчёта распределения гармонических составляющих тягового тока в рельсовой линии при электрической тяге постоянного и переменного тока.

^ контактный провод

Рис. 1. Расчётная схема распределения гармонических составляющих тягового тока в рельсах

На рис. 1 приняты следующие обозначения: и - напряжения рельсов относительно земли, В;

I - суммарное значение гармонических составляющих тока в обеих рельсовых нитях, А;

11,12 - токи гармонических составляющих в первой и второй рельсовых нитях, А;

1г - ток гармонической составляющей в контактном проводе и тяговой цепи электроподвижного состава (ЭПС), А;

2 - сопротивление рельсовой петли, Ом/км;

ё - проводимость утечки рельсовой петли, 1 / (Ом-км);

ёи g2 - проводимости утечки первой и второй рельсовых нитей, 1 / (Ом-км);

212 - сопротивление взаимоиндукции рельсов, Ом/км;

20 - сопротивление взаимоиндукции рельсов и контактного провода, Ом/км;

Язтп - сопротивление заземления отсасывающего фидера тяговой подстанции, Ом;

Ь - расстояние между ЭПС и тяговой подстанцией, км;

х - расстояние от ЭПС до некоторой точки рельсовой цепи, км.

Выражения для расчёта распределения гармонических составляющих тягового тока в рельсовой линии можно определить путём решения системы дифференциальных уравнений для рассматриваемой схемы замещения, которая имеет следующий вид:

В результате решения данной системы уравнений получены следующие выражения для определения токов гармонических составляющих в любой точке рельсовой линии:

- при электрической тяге постоянного тока:

В приведённых выражениях коэффициенты т, у и Хс зависят от первичных параметров рельсовой линии и могут быть определены по формулам:

- при электрической тяге переменного тока:

гс • е~гЬ + 2 • я

2 с + 2 •я™

т = 2 •І Ю Мо , 7 = у1 (21 + і ® М12) • ё , 2,

+ і ю М12

где М0 - взаимная индуктивность контактного провода и рельсов, Гн/км;

- удельное сопротивление одиночной рельсовой нити, Ом/км;

M12 - взаимная индуктивность рельсов, Гн/км; со = 2я[- угловая частота, рад/с;

/- частота гармонической составляющей, Гц;

g =— - удельная проводимость изоляции рельсовой линии, 1 / (Ом-км);

г

и

г,, - удельное сопротивление изоляции рельсовой линии, Ом-км.

Величины М0, 21 и М12 определяются по общеизвестным выражениям [1, 2].

Выражение для расчёта токов гармонических составляющих в рельсах I при электротяге переменного тока отличается от соответствующего выражения при электротяге постоянного тока наличием дополнительного множителя, учитывающего цепь прохождения тока на тяговую подстанцию через землю и собственный контур заземления. Вследствие этого на участках железных дорог, электрифицированных на переменном токе, значительна большая часть тока течёт по земле по сравнению с участками с электротягой постоянного тока. Как показывают исследования, переменный тяговый ток при малом сопротивлении изоляции рельсовой линии уже на расстоянии 2-7 км от движущего электроподвижного состава почти весь стекает в землю [3].

Как видно из полученных выражений, величина тока гармонических составляющих в рельсах I при любом виде тяги прямо пропорционально зависит от величины тока гармонических составляющих в контактном проводе и тяговой цепи электроподвижного состава 1г. Ток гармонической составляющей в рельсах имеет две составляющие: постоянную составляющую т • 1г (так называемый индуктированный ток в рельсах) и вторую составляющую, которая изменяется в зависимости от расстояний до электроподвижного состава и тяговой подстанции.

Как показали расчёты, величина коэффициента т практически не зависит от частоты тока гармоники и составляет 0,5...0,6. Следовательно, индуктированный ток в рельсах составляет примерно 50-60 % от величины тока гармонической составляющей в контактном проводе и тяговой цепи электроподвижного состава.

Для практических целей наибольший интерес представляет коэффициент распределения гармонических составляющих тока подвижного состава в рельсах Кг, который показывает какая часть тока гармонической составляющей электроподвижного состава протекает в рельсах. Коэффициент Кг равен отношению величины тока гармонической составляющей в рельсах I к величине тока гармонической составляющей в тяговой цепи электроподвижного состава Л и может быть определён из выражений:

- при электрической тяге постоянного тока:

K, =

I 1 - m

= m Л

I' 2

•(е

+ е

К*-L) I

при электрической тяге переменного тока:

Z • e“ rL + 2 • R

K, =

I 1 - m

= m Л

I' 2

е

+ е

Н x-L)

Z + 2 • R

Таким образом, значение тока гармонических составляющих в рельсах во многом зависит от фактического значения сопротивления изоляции рельсовой линии, частоты гармонической составляющей, расстояний от электроподвижного состава до тяговой подстанции и до подверженных влиянию устройств СЦБ.

При электрической тяге постоянного тока ток гармонических составляющих в рельсах в середине участка между электроподвижным составом и тяговой подстанцией имеет наименьшую величину. По мере приближения к электроподвижному составу и тяговой подстанции ток гармоник начинает плавно возрастать и достигает максимума в непосредственной близости от электроподвижного состава и отсасывающего фидера тяговой подстанции. Гармонические составляющие тока по одну сторону от середины участка стекают из рельсов в землю, а по другую сторону возвращаются обратно из земли в рельсы.

При электрической тяге переменного тока гармонические составляющие тока в рельсах имеют наибольшее значение в непосредственной близости от электроподвижного состава. В зоне между электроподвижным составом и серединой участка между электроподвижным составом и тяговой подстанцией гармонические составляющие тока всегда стекают из рельсов в землю. В зоне от середины участка до тяговой подстанции гармонические составляющие тока могут протекать как из земли в рельсы, так и из рельсов в землю в зависимости от величины сопротивления изоляции рельсовой линии.

Список литературы:

1. Брылеев А.М., Шишляков A.B., Кравцов Ю.А. Устройство и работа рельсовых цепей. - М.: Транспорт, 1966. - 264 с.

2. Устройства СЦБ при электрической тяге переменного тока / М.И. Вах-нин, Н.Ф. Пенкин, М.А. Покровский и др. // Труды ВНИИЖТ. Выпуск 126.

- М.: Трансжелдориздат, 1956. - 220 с.

3. Наумов A.B., Наумов A.A. Выбор параметров и правила построения обратной тяговой рельсовой сети на электрифицированных железных дорогах со скоростным и тяжеловесным движением. - М.: Интекс, 2006. -143 с.