Электромагнитная совместимость устройств электрифицированных железных дорог

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Термин «Электромагнитная совместимость» трактуется достаточно широко и включает в себя вопросы взаимовлияния друг на друга различных видов электроэнергетического и слаботочного электрооборудования. С точки зрения железнодорожной энергетики это, прежде всего, взаимные влияния друг на друга контактных сетей соседних путей многопутных участков, влияние тяговой сети на смежные линии низкого напряжения, линии связи и продольного вещания, на любые протяжённые проводящие объекты, расположенные вблизи электрифицированной железной дороги, а также вопросы взаимовлияния электровозов переменного тока с тиристорными преобразователями. Вплотную к этому кругу проблем примыкают вопросы электрокоррозионного разрушения подземных сооружений и опор при электрификации на постоянном токе.

Наряду с тяговыми сетями, высокими напряжениями и большими токами характеризуются высоковольтные линии электропередачи, высоковольтные цепи автоблокировки и продольного электроснабжения. Создаваемые ими электромагнитные поля наводят напряжения и токи в обесточенной контактной сети, в цепях автоматики, телемеханики и связи, которые могут быть опасными для людей или производить разрушения аппаратуры, а также могут нарушать нормальную работу устройств.

Полностью электромагнитное и гальваническое влияние одного электротехнического оборудования на другое, одних электрических цепей на другие практически невозможно, поэтому стремятся снизить его до такой степени, при которой не нарушалась бы нормальная работа электрических цепей, подверженных влиянию, и выполнялись требования ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

электромагнитный ток замыкание сопротивление



1. Задание и исходные данные

Для участка однопутной железной дороги между двумя смежными тяговыми подстанциями, электрифицированной на переменном токе 1х25 кВ, с рельсами Р-65, и расположенной параллельно ей двухпроводной воздушной линии связи, необходимо выполнить следующее.

1. В соответствии с вариантом расчета изобразить расчетную схему для расчета опасных влияний.

2. Определиться с расчетными точками для расчета тока короткого замыкания и влияния его на смежную линию.

3. С помощью программного комплекса Fazonord подготовить расчетную схему для расчета опасных влияний, рассчитать по ней сопротивление тяговой сети, токи короткого замыкания и вынужденного режима, а также наведенные напряжения опасного влияния по следующим вариантам:

· отсутствие тока в тяговой сети, заземленный конец смежной линии;

· отсутствие тока в тяговой сети, изолированная от земли смежная линия;

· короткое замыкание в тяговой сети, заземленный конец смежной линии;

· короткое замыкание в тяговой сети, изолированная от земли смежная линия;

· вынужденный режим тяговой сети, заземленный конец линии;

· вынужденный режим тяговой сети, изолированная от земли смежная линия.

4. Токи короткого замыкания и вынужденного режима рассчитать по формулам «Правил защиты…» [1], используя сопротивление тяговой сети, полученное в п.3. Определить величину эквивалентного влияющего тока вынужденного режима.

5. Рассчитать наводимые в смежной воздушной линии опасные напряжения при коротком замыкании в тяговой сети и при вынужденном режиме по формулам «Правил защиты…». Расчеты провести по тем же вариантам, что и в п. 3.

6. Определить необходимое увеличение расстояния между линией связи и электрифицированной железной дорогой, при котором опасные влияния на линию связи не будут превышать нормированных значений.

7. Рассчитать напряжение мешающего влияния на воздушную линию. Расчет проводить для случая расположения двухсекционного электровоза с суммарным потребляемым током 300 А возле отключенного поста секционирования в середине фидерной зоны.

По пунктам 3, 5, 6, 7 необходимо сделать соответствующие выводы.

Сравнить результаты расчетов с помощью программного комплекса и результаты расчетов по формулам «Правил защиты…». Сравнить расчетные величины с допустимыми значениями опасных и мешающих напряжений.

Принять значения допустимых напряжений при коротком замыкании равным 1500 В, при вынужденном режиме 60 В, допустимое мешающее напряжение - 1.5 мВ.

Таблица 1 - Исходные данные

Параметр	Значение	Параметр	Значение	Параметр	Значение
Подвеска	1	S1КЗ, МВА	1000	Марка НТ	ПБСМ-70
а, м	15	S1Н, МВА	25	Высота, см	720
lт, км	35	S2КЗ, МВА	1200	Марка КП	МФ-85
l, км	30	S2Н, МВА	50	Высота, см	580
lн, км	0	m	3
с, м	6	у, См/м	0.06

В таблицах приняты обозначения в соответствии с рис. 1, а также следующие обозначения:

a - ширина сближения;

с - высота подвеса проводов воздушной линии связи;

S1кз, S2кз, S1н, S2н - мощности короткого замыкания и мощности

трансформаторов подстанций 1 и 2;

m - число поездов на участке при вынужденном режиме работы тяговой сети;

у - удельная проводимость земли.

Таблица 2 - Параметры контактных проводов, несущих тросов и рельсов

Марка	Макс. длительный ток, А	Площадь сечения, мм	Сечение в медном эквиваленте, мм	Радиус, см	Омическое сопротивление, Ом/км
МФ-85	550	85	85	0.57	0.210
ПБСМ1-70	200	72	25	0.55	0.730
Р-65	-	8290	-	11.1	0.200
БСМ-1	-	12	-	0.2	4.00

Таблица 3 - Коэффициент чувствительности двухпроводной воздушной линии связи и коэффициент акустического воздействия

Номер гармоники k	1	3	5	7	9	11	13
К-т чувствит. зk	0.0025	0.0028	0.0032	0.0035	0.0038	0.0042	0.0045
К-т акуст. возд. pk	0.0007	0.035	0.178	0.376	0.582	0.733	0.851
Номер гармоники k	15	17	19	21	23	25	27
К-т чувствит. зk	0.0048	0.0051	0.0055	0.0058	0.0061	0.0065	0.0068
К-т акуст. возд. pk	0.955	1.035	1.109	1.109	1.035	0.977	0.928
Номер гармоники k	29	31	33	35	37	39	41
К-т чувствит. зk	0.0071	0.0075	0.0078	0.0081	0.0084	0.0086	0.0088
К-т акуст. возд. pk	0.881	0.842	0.807	0.775	0.745	0.720	0.698



Таблица 4 - Коэффициент распространения канала провод воздушной линии - земля

Номер гармоники k	1	3	5	7	9	11	13
К-т затухания бk, мНп/км	4.0	5.2	6.1	7.2	8.2	9.2	10.2
К-т фазы вk, мрад/км	3.1	7.8	12.0	16.1	20.0	23.7	27.5
Номер гармоники k	15	17	19	21	23	25	27
К-т затухания бk, мНп/км	11.2	12.1	13.0	13.7	14.4	15.2	15.8
К-т фазы вk, мрад/км	30.6	34.0	37.0	40.2	43.4	46.5	49.7
Номер гармоники k	29	31	33	35	37	39	41
К-т затухания бk, мНп/км	16.5	17.2	17.8	18.5	19.0	19.7	20.2
К-т фазы вk, мрад/км	52.8	55.8	58.8	61.8	64.6	67.5	70.8

Рисунок 1 Схема расположения объектов



На рис. 1а изображена схема расчета влияния при коротком замыкании в тяговой сети, на рис. 1б - схема расчета вынужденного режима при трех поездах.



2. Расчеты с помощью программного комплекса Fazonord

Рисунок 2 Поперечное сечение системы проводов

Рисунок 3 Соединение проводов системы

Рисунок 4 Внешний вид элемента на расчетной схеме



Таблица 5 - Входные сопротивления 1 км проводов

	R1, Ом/км	X1, Ом/км
Среднее	0,0242	0,1395
Контактная сеть	0,2292	0,434
Провод 1	-0,0781	-0,0076
Провод 2	-0,0785	-0,0078

Рисунок 5 Собранная расчетная схема

Производим подбор длин ЛЭП так, чтобы при их длине потери будут равны заданным мощностям при кз для соответствующей ТП. Длина левой ЛЭП-220 для S1кз=1000 МВА равна 9,5 км, длина правой ЛЭП-220 при S2кз=1200 МВА равна 8 км.

Рисунок 6 Подбор длин ЛЭП для левой ТП

Рисунок 7 Подбор длин ЛЭП для правой ТП

Отсутствие нагрузок в тяговой сети и изолированная смежная линия

Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ
1	27,542	4	27,541	7	27,541	10	27,538
2	0,1587	5	0,1586	8	0,1589	11	0,1584
3	0,1582	6	0,1581	9	0,1584	12	0,1578

Отсутствие нагрузок в тяговой сети и заземленная смежная линия

Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ
1	27,542	4	27,541	7	27,541	10	27,538
2	0,1587	5	0,1586	8	0,0006	11	0
3	0,1582	6	0,1581	9	0,0006	12	0

Короткое замыкание 1 и изолированная смежная линия, I_кз=1223А

Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ
1	0,0038	4	18,482	7	18,487	10	21,565
2	1,19	5	1,297	8	0,0917	11	0,3225
3	1,19	6	1,296	9	0,092	12	0,3219

ороткое замыкание 1 и заземленная смежная линия, I_кз=1223 А

Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ
1	0,0038	4	18,482	7	18,487	10	21,565
2	1,19	5	1,297	8	0,0917	11	0,3225
3	1,19	6	1,296	9	0,092	12	0,3219

Короткое замыкание 2 и изолированная смежная линия, I_кз =1100А

Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ
1	16,634	4	0,0047	7	0,0409	10	9,123
2	1,167	5	1,071	8	0,5863	11	0,6389
3	1,166	6	1,071	9	0,5859	12	0,6384

Короткое замыкание 2 и заземленная смежная линия, I_кз =1100А

Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ
1	16,634	4	0,0047	7	0,0409	10	9,123
2	1,167	5	1,071	8	1,225	11	0
3	1,166	6	1,071	9	1,224	12	0



Вынужденный режим и изолированная смежная линия, I_рез =352,97 А

Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ
1	23,879	4	19	7	19	10	19
2	0,4733	5	0,2504	8	0,1094	11	0,1095
3	0,4726	6	0,2505	9	0,1091	12	0,1091

Вынужденный режим и заземленная смежная линия, I_рез =352,97 А

Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ	Узел	U, кВ
1	23,879	4	19	7	19	10	190
2	0,4733	5	0,2504	8	0,0001	11	0
3	0,4726	6	0,2505	9	0,0001	12	0



3. Типовой расчет

3.1 Расчёт токов короткого замыкания и эквивалентного влияющего тока

Ток короткого замыкания определяется как ток двухфазного короткого замыкания по формуле:

, А

где: U_ном=27500 В - номинальное напряжение контактной сети;

S_кз - мощность короткого замыкания, ВА;

S_н - номинальная мощность трансформатора подстанции, ВА;

u_к=17% - напряжение короткого замыкания трансформатора;

X_о=0,434 Ом/км - реактивное сопротивление тяговой сети;

R_о=0,2292 Ом/км - активное сопротивление тяговой сети;

l_кз - расстояние от соответствующей подстанции до места КЗ, км

Рассчитаем токи КЗ для 2-х подстанций в точках 1 и 2 по рис.1а:

Ток короткого замыкания до точки 1 (на рис.1):

Ток короткого замыкания до точки 2 (на рис.1):

Под эквивалентным влияющим током I_экв подразумевается ток, одинаковый на всем участке сближения, который наводит в смежной линии связи такое же опасное напряжение, какое возникает при действительном (ступенчатом) распределении токов в контактной сети:

, А

где I_рез - результирующий ток расчетного плеча питания при вынужденном режиме работы тяговой сети, А;

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

Последний определяется по следующему выражению:

,



где m - количество поездов, одновременно находящихся в пределах расчетного плеча питания;

l_н, l_э, l_т - соответствуют рисунку 1, км.

Результирующий ток расчетного плеча питания при вынужденном режиме работы тяговой сети:

, А

где _ДU_кс - максимальная потеря напряжения в тяговой сети между подстанцией и наиболее удаленным от нее электровозом, равная 8500 В при l_т более 30 км и 5500 В при l_т от 15 км до 30 км включительно;

m - количествj поездов, одновременно находящихся в пределах рас четного плеча питания;

X_о=0,434 Ом/км - реактивное сопротивление тяговой сети;

R_о=0,2292 Ом/км - активное сопротивление тяговой сети;

cos ц - коэффициент мощности электровоза, равный 0.8;

l_Т - расстояние между ТП, км.



Сделаем расчёт эквивалентного влияющего тока по выше приведённым формулам:

3.2 Расчеты наводимых напряжений при коротком замыкании и при вынужденном режиме

Опасные напряжения на одном из концов провода расчетного участка цепи, обусловленные магнитным влиянием, рассчитывают при условии заземления его на противоположном конце для двух режимов работы тяговой сети: короткого замыкания и вынужденном. Для режима короткого замыкания и параллельного сближения в курсовой работе наводимое напряжение U_м вычисляется по формуле для наибольшего тока короткого замыкания:

, В

а для вынужденного режима - по формуле:

, В

где: щ=314 рад/с - угловая частота влияющего тока;

M - взаимная индуктивность между контактной подвеской и проводом связи, Гн/км;

I_кз - наибольший ток КЗ, А;

l_э - длина сближения, км;

s_p - коэффициент экранирующего действия рельсов, значение которого при удельной проводимости земли 0,01..0,05 См/м равно 0,50..0,55.

Взаимная индуктивность между контактной подвеской и проводом связи определяется по формуле:

, Гн/км

где: а - ширина сближения, м;

у- удельная проводимость земли, См/м;

f- частота влияющего тока, Гц;

K_ф=1,15 - коэффициент, характеризующий увеличение индуцированного напряжения вследствие несинусоидальности тока тяговой сети, обусловленной работой выпрямительных устройств электровозов.

При изолированном от земли проводе связи на нем наводится дополнительное напряжение за счет электрического влияния, которое рассчитывается по формуле:

, В

где: k=0,4 - коэффициент, учитывающий количество влияющих проводов, расположенных на опорах тяговой сети, который для однопутного участка и двух проводов контактной подвески равен 0.4;

b=5,8 м, c - высоты подвеса провода, эквивалентного контактной подвеске, и провода связи над землей, м.

Результирующее напряжение влияния на изолированный от земли провод определяется суммированием напряжений электрического и магнитного влияний по формуле:

, В

где: U_M - наводимое напряжение от влияния магнитного поля, В;

l_С и l - в соответствии с рисунком 1, км;

U_Э - наводимое напряжение от влияния электрического поля, В.

Произведём расчёт по выше изложенной методике:

Взаимная индуктивность между контактной подвеской и проводом связи:



Напряжения магнитного влияния при условии заземления смежной линии на противоположном конце:

для режима КЗ:

для вынужденного режима:

Напряжения электрического влияния при изолированном от земли проводе связи:

Результирующее напряжение влияния на изолированный от земли провод определяется суммированием напряжений электрического и магнитного влияний по формуле:



При режиме короткого замыкания, изолированном от земли концом линии связи, магнитное поле в данной ситуации будет определяющим:

3.3 Расчет ширины сближения для соблюдения нормированных значений опасных влияний

При расчете расстояния относа линии связи для снижения наводимых напряжений необходимо принять во внимание, что напряжение электрического влияния с ростом расстояния снижается очень быстро. По этой причине рассчитывается относ с целью снижения только магнитного влияния, у которого от расстояния зависит взаимная индуктивность M.

По формулам ниже с подстановкой в них допустимых значений наводимых напряжений вычисляются два значения взаимной индуктивности, из которых выбирается наименьшее.

Расстояние относа линии связи будет равно:

3.4 Расчеты напряжения мешающего влияния

«Правила защиты…» регламентируют для двухпроводных телефонных цепей расчет псофометрического значения мешающего напряжения (напряжения шума) в диапазоне тональных частот (300..3400 Гц) при нормальном режиме работы тяговой сети. Расчет выполняют применительно к ближнему концу участка линии связи, складывая гармонические составляющие напряжения шума для гармоник с номерами от 7 до 69. В курсовой работе допускается усеченный расчет только до 41-й гармоники:

Uш =	еU шk 2.

Мешающее напряжение для k-й гармоники вычисляют по формуле:

Где щ_k=314k рад/с - угловая частота k-ой гармоники тягового тока;

M_k - модуль взаимной индуктивности между контактной сетью и проводом связи для гармоники k, Гн/км;

I_k - эквивалентный ток k-ой гармоники тягового тока, А;

p_k - коэффициент акустического воздействия для k-ой гармоники;

h_k - коэффициент чувствительности двухпроводной телефонной цепи к помехам для k-ой гармоники тягового тока;

s_р - результирующий коэффициент экранирующего действия для k-ой гармоники тягового тока;

g _k - коэффициент распространения канала провод линии связи - земля для k-ой гармоники, g =a^k + jb^k - комплексное число, составленное коэффициентом затухания и коэффициентом фазы; 10³ - коэффициент перевода вольт в милливольты.

Ток гармонической составляющей тягового тока определяется из выражения I_k = K_в I_k ', где I_k ' - гармоника тока электровоза, работающего в конце плеча питания при нормальном режиме; K_в - волновой коэффициент, учитывающий изменение тягового тока по длине тяговой сети и вычисляемый по методике «Правил защиты…»; в расчете курсовой работы его можно принять равным единице.

Входящие в формулу гиперболические функции от комплексного аргумента вычисляются в соответствии с выражением ниже, а затем модуль выражения подставляется в формулу. Результаты расчетов сведены в таблицу 6.

Таблица 6 - Сводная таблица расчетов псофометрического напряжения шума

k	f ,Гц	М ,МГн/км	зk	pk	Ik ,A	Дробь	Umk,мВ
7	350	0,0004852	0,0035	0,376	14,142	6,2778	143,363
9	450	0,0004603	0,0038	0,582	9,899	6,3270	207,317
11	550	0,0004404	0,0042	0,733	6,505	6,3845	223,807
13	650	0,0004240	0,0045	0,851	4,525	6,4554	222,762
15	750	0,0004099	0,0048	0,955	3,394	6,5204	225,335
17	850	0,0003976	0,0051	1,035	2,546	6,6038	216,673
19	950	0,0003867	0,0055	1,109	2,008	6,6849	217,336
21	1050	0,0003769	0,0058	1,109	1,527	6,7857	190,616
23	1150	0,0003680	0,0061	1,035	1,131	6,8981	150,671
25	1250	0,0003599	0,0065	0,977	0,962	7,0157	139,269
27	1350	0,0003524	0,0068	0,928	0,792	7,1557	122,933
29	1450	0,0003455	0,0071	0,881	0,707	7,3014	116,893
31	1550	0,0003390	0,0075	0,842	0,651	7,4541	116,274
33	1650	0,0003330	0,0078	0,807	0,594	7,6240	113,164
35	1750	0,0003273	0,0081	0,775	0,537	7,8023	108,943
37	1850	0,0003220	0,0084	0,745	0,509	7,9893	109,558
39	1950	0,0003169	0,0086	0,720	0,453	8,1821	102,386
41	2050	0,0003121	0,0088	0,698	0,424	8,4373	101,665



Заключение

После проведения расчетов с помощью программного комплекса и по формулам получили, что наводимое напряжение на линии связи превышает допустимое. Для режима короткого замыкания - 4009 В, а при вынужденном режиме 2466 В.

В связи с тем, что соблюдение допустимых величин наводимых напряжений требуется во всех режимах работы контактной сети необходимо в качестве защитного мероприятия, увеличить ширину сближения линии связи с контактной сетью. При проведении расчета оказалось, что расстояние с 60 м необходимо увеличить до 977,6 м. При такой ширине сближения величины наведенного напряжения не превышают допустимых значений.

Суммарное псофометрическое напряжение шума равное 697,444 мВ превышает допустимое 1,5 мВ. Максимальное псофометрическое напряжение шума наблюдается на частоте 750 Гц (15 гармоника, 225,335 мВ). В качестве защитного мероприятия, предлагаем линию связи отодвинуть от контактной сети.



Список литературы

1. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1989. 134 с.

2. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость: Учебник для вузов железнодорожного транспорта. М.: УМК МПС, 2002. 638 с.

3. Закарюкин В.П. Электромагнитная совместимость устройств электрифицированных железных дорог. Иркутск.: ИрИИТ, 2002. 137 с.

6. Шаров В.И. Влияние электрических железных дорог на смежные устройства: Задание на курсовой проект с методическими указаниями. М.:

ВЗИИТ, 1983. 15 с.

7. Бабаева В.М., Минин Г.А., Семенчук В.П. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине "Влияние электрических железных дорог на смежные устройства". М.: МИИТ, 1987. 46 с.

8. Справочник по электроснабжению железных дорог / Под ред. К.Г. Марквардта. М.: Транспорт, 1980. Т. 1. 256 с.

Размещено на Allbest.ru

...