Научная статья на тему 'Экспериментальное исследование спектрального состава тока в рельсах'

Экспериментальное исследование спектрального состава тока в рельсах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
173
67
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА / ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЛИЯНИЕ / ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ / RAILWAY / ELECTROMAGNETIC INFLUENCE / HARMONICS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Залесова Ольга Валерьевна, Якубович Марина Викторовна

Выполнен анализ спектрального состава токов электровозов, когда на участке железной дороги находятся два электроподвижных состава. Дана оценка влияния работы одного электровоза на частотный спектр тока второго электровоза, находящегося на том же участке железной дороги.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Залесова Ольга Валерьевна, Якубович Марина Викторовна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Experimental research of frequency spectra of currents in rails

The frequency spectra of electric locomotives currents have been investigated when two trains moved by the railway section. The influence of one electric locomotive on the current frequency spectrum of another electric locomotive locating on the same section of the railway has been evaluated.

Текст научной работы на тему «Экспериментальное исследование спектрального состава тока в рельсах»

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

УДК 621.311

О.В. Залесова, М.В. Якубович ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ТОКА В РЕЛЬСАХ

Аннотация

Выполнен анализ спектрального состава токов электровозов, когда на участке железной дороги находятся два электроподвижных состава. Дана оценка влияния работы одного электровоза на частотный спектр тока второго электровоза, находящегося на том же участке железной дороги.

Ключевые слова:

железная дорога, электромагнитное влияние, высшие гармоники

O.V. Zalesova, M.V. Yakubovich

EXPERIMENTAL RESEARCH OF FREQUENCY SPECTRA OF CURRENTS IN RAILS

Abstract

The frequency spectra of electric locomotives currents have been investigated when two trains moved by the railway section. The influence of one electric locomotive on the current frequency spectrum of another electric locomotive locating on the same section of the railway has been evaluated.

Keywords:

railway, electromagnetic influence, harmonics

Тяговая сеть переменного тока 125 кВ является источником мощного электромагнитного поля, которое оказывает существенное влияние на контактные сети соседних путей многопутных участков, линии связи и проводного вещания, цепи сигнализации, централизации и автоблокировки (СЦБ), расположенные вблизи линии электропередачи (ЛЭП), и другие смежные линии различного назначения. Это полностью несимметричная цепь, в качестве обратного провода которой используются рельсы. Электромагнитное влияние, оказываемое таким видом тяговой сети, считают наиболее опасным.

Уровень наведенного напряжения на проводах смежных линий, подверженных электромагнитному влиянию тяговой сети переменного тока, в большой степени зависит от уровня гармоник тока, протекающего в сети, и его распределения между рельсами и землей. Ток тяговой сети формируется в результате наложения собственных колебаний системы на основной ток, потребляемый выпрямительными электровозами [1]. Спектр основного тока действующей тяговой сети подвержен непрерывным изменениям, что объясняется непостоянством нагрузок, которые, в свою очередь, зависят от того, каким является состав (грузовой или пассажирский), сколько он содержит вагонов, в каком режиме работает электровоз, а также от числа электровозов на дистанции и их взаимного расположения.

Ранее в работах [2, 3] мы уже представляли результаты

экспериментальных исследований по оценке распределения обратного тягового тока между рельсами и землей. Был определен и проанализирован спектральный состав тока в рельсах, а также установлен диапазон, в котором варьируется величина коэффициента защитного действия рельсов. На основании полученных экспериментальных данных проводился расчет наведенного напряжения на отключенной ЛЭП, проходящей вблизи участка железной дороги, для различных вариантов расположения места ремонта на линии.

Экспериментальные исследования проводились в 2008 г. сотрудниками ЦФТПЭС КНЦ РАН. Для измерения токов в рельсах был выбран однопутный участок железной дороги дистанции Апатиты - Оленегорск в районе станций Хибины, Нефелиновые Пески и Имандра (рис.1). Электропитание участка двустороннее и производится от тяговых подстанций № 14 (г.Апатиты) и № 12 (г.Оленегорск) [2].

Для непрерывной регистрации изменяющихся токов в рельсах при прохождении составов по дистанции применялась система мониторинга, включающая в себя магнитоиндукционный датчик тока с усилителем, аналогоцифровой преобразователь и портативный компьютер. Датчики тока устанавливались под рельсом. Регистрация токов выполнялась синхронно в трех различных точках исследуемого участка железной дороги.

Из полученных данных были выбраны осциллограммы токов в рельсах для тех случаев, когда электроподвижные составы проходили участок железной дороги, где размещены датчики, с достаточно большим временным разрывом. Таким образом, анализ спектрального состава тока в рельсах проводился только в случаях, когда на участке находился один электровоз.

В действительности на исследуемом участке железной дороги дистанции Апатиты - Оленегорск на различных расстояниях от тяговых подстанций могут находиться несколько электроподвижных составов, потребляющих различные токи. В связи с этим актуальной является задача экспериментального исследования спектрального состава тока тяговой сети при нахождении на участке нескольких составов.

С этой целью из экспериментов, проведенных в 2008 г., был выбран случай, когда центральный и северный датчики одновременно зарегистрировали токи в рельсах двух товарных составов, двигающихся в северном направлении. На рис.1 указаны местоположения датчиков тока на дистанции Апатиты - Оленегорск.

По данным измерений для двух выбранных составов были получены осциллограммы, показывающие общую картину изменений тока в рельсе (рис.2). Они обрабатывались в звуковом редакторе Cool Edit. Первая осциллограмма соответствует прохождению состава № 1 над северным

датчиком, вторая осциллограмма - прохождению состава № 2 над центральным датчиком. Из рис.2 можно видеть, что основное питание электровоза состава № 1 поступает от тяговой подстанции № 12 г. Оленегорска, в случае электровоза № 2 - основное питание осуществляет тяговая подстанция № 14 г.Апатиты.

При обработке сигналов с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT) и фильтров был выявлен спектральный состав измеренных токов и определены амплитуды гармоник вплоть до 11-й. В табл.1 представлен спектральный состав токов в рельсах поезда № 1 (ток поступает от ТП № 12) и поезда № 2 (ток поступает от ТП № 14).

Рис.1. План расположения участка железной дороги Апатиты - Оленегорск

1ші5 1:59:00 1:59:20 1:59:40 2:00:00 2:00:20 2:00:40

Рис.2. Совмещенная осциллограмма токов в рельсе при прохождении товарных составов № 1 и № 2 на Север: центральным датчиком (1) и северным датчиком (2). Пунктиром обозначено время прохождения составов над датчиками

Таблица 1

Спектральный состав тока в рельсах (действующие значения)

Номер Ток в рельсах Ір, А

гармоники состав № 1 состав № 2

1 52.62 102.81

3 6.72 23.05

5 3.18 9.26

7 2.05 4.31

9 1.13 2.69

11 0.64 1.41

I 53.2 105.9

Также для каждого поезда по исходным данным спектрального состава токов были определены действующие значения общего тока в соответствии с известной формулой

(/=» ----------------------------

І = Ші )2 Ч10 +112 +12 + ... +1- + ...

\ і=0

где іі - действующее значение і-й гармоники; I - действующее значение тока в рельсе [4].

Таким образом были исследованы токи в рельсах, зарегистрированные непосредственно перед прохождением состава № 1 над северным датчиком и сразу после прохождения состава № 2 над центральным датчиком.

Для того чтобы оценить степень влияния работы электровоза № 2 на спектральный состав тока потребляемого электровозом № 1 из экспериментов

2008 г., был выбран случай, когда на том же участке железной дороги находился один поезд . Это был товарный состав, который двигался в северном направлении. Величины токов, которые потребляли составы № 1 и № 3 в момент прохождения северного датчика, равны. В таблице 2 представлен спектральный состав тока в рельсах электровоза № 3. Он был получен, как и в предыдущем случае, когда на исследуемом участке железной дороге находились два состава.

Таблица 2

Спектральный состав тока поезда № 3 в рельсах (действующие значения)

Номер гармоники Ток в рельсах Ір А

1 51.38

3 12.02

5 5.77

7 3.33

9 1.90

11 1.08

I 53.2

По данным, представленным в табл. 1 и 2, можно видеть, что значения основной гармоники тока составов № 1 и № 3 очень близки, в то время как значения с 3-й по 11-ю высших гармоник тока состава № 1 в 1.6-1.8 раз ниже значений соответствующих гармоник тока состава № 3.

На рис.3, для более наглядного сравнения действующих значений высших гармоник тока в рельсах при одном и двух составах на исследуемом участке железной дороги, представлена их совмещенная диаграмма.

В работе [1] автор отмечает, что при двух и трех электровозах в зоне питания амплитудный спектр тока каждого электровоза зависит главным образом от его нагрузки и не зависит от режимов работы соседних электровозов. Однако по результатам исследований [1] амплитуды гармоник тока тяговой сети, питающей два электровоза, оказались в 1.4-1.6 раза ниже соответствующих гармоник при одном электровозе в зоне питания и том же токе. Это обусловлено тем, что частотный спектр тока тяговой сети зависит от соотношения нагрузок и местоположений отдельных электровозов. В нашем случае измерения токов в рельсах проводились в один день при расстоянии между составами 8.9 км и удалении их от тяговых подстанций на расстояния 25.9 км от ТП № 14 и 38.2 км от ТП № 12. Все составы были товарными и двигались на север.

Анализ спектрального состава токов в рельсах показал, что вклад каждой высшей гармоники в действующее значение полного тока электровоза, когда на дистанции находятся два состава, в 1.6-1.8 раза ниже вклада соответствующих гармоник в значение тока электровоза, когда на дистанции находится один электровоз. На величину основной гармоники тока электровоза № 1 режим работы второго электровоза № 2 не повлиял.

*

В дальнейшем будем определять его как состав № 3.

I % 20 15 10 5 0

□ на участке ж.д. находятся два состава ■ на участке ж.д. находится один состав

Рис. 3. Диаграмма высших гармоник токов электровозов № 1 и № 3 Литература

1. Карякин Р.Н. Тяговые сети переменного тока. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1987. 279 с.

2. Экспериментальные исследования распределения тяговых токов в рельсах и земле / О.В.Дроздова, М.В.Якубович // Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2008. С. 205 с.

3. Исследование влияния системы тягового электроснабжения переменного тока на отключенные линии электропередачи / О.В.Дроздова, М.В.Якубович // Вестник МГТУ. 2010. Т. 13, № 4/2. С. 918-922.

4. Теоретические основы электротехники / К.С.Демирчян, Л.Р.Нейман, Н.В.Коровкин, В.Л.Чечурин. 4-е изд. СПб.: Питер, 2003. Том 1. 463 с.

Сведения об авторах Якубович Марина Викторовна

научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: yakubovich@ien.kolasc.net.ru

Залесова Ольга Валерьевна

младший научный сотрудник лаборатории высоковольтной электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: drozdova@ien.kolasc.net.ru

=1

1 1,1 1 г!..

3 5 7 9 11

номер гармоники

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.