Распределение потенциалов и токов в рельсовых цепях для нагрузки

Раздел 3. Тяговые сети

Тема 3.1. Параметры тяговых сетей и их влияние на линии связи. Распределение токов и напряжений в проводах, рельсовых цепях, земле и в подземных сооружениях на участках постоянного тока.

Тяговая сеть представляет собой систему устройств, состоящую в основном из контактной и рельсовой сетей, питающих и отсасывающих линий. Передача электрической энергии от сборных шин тяговой подстанции к электроподвижному составу осуществляется по проводам замкнутой цепи: шины подстанции – питающая линия – контактная сеть – скользящий контакт – тяговые двигатели ЭПС – катящийся контакт – рельсовая цепь – отсасывающая линия – шины подстанции.

Схема протекания токов в тяговой сети     1 – подстанция, 2 – контактная сеть, 3 – электроподвижной состав, 4 – тяговые рельсы, 5 – обратный фидер

На электрифицированных линиях постоянного и переменного тока в качестве обратного провода используются рельсы. Чем ниже сопротивление рельсовой цепи, тем меньше потери напряжения и энергии в ней. Для уменьшения сопротивления рельсовой цепи устанавливают различные электрические соединители (междурельсовые и междупутные электрические соединители), увеличи-вают переходное сопротивление между рельсом и землёй, применяя с этой целью щебёночный балласт, железобетонные или деревянные шпалы, пропитанные изолирующим составом  и  др. (чем меньше переход-

ное сопротивление от рельсов к грунту, проводимость рельсов и их стыков и сопротивление земли, тем большая часть тягового тока проходит в земле).

На электрифицированных линиях переменного тока в отличие от частоты 50 Гц, на которой работает электрическая тяга, для лучшей избирательности в устройствах СЦБ используют частоту 25 или 75 Гц.

Для ограничения утечки тяговых токов в землю и снижения вредного воздействия блуждающих токов на подземные сооружения принимают меры по увеличению переходного сопротивления между рельсами и землёй и уменьшению сопротивления рельсовой цепи.

Изоляции рельсов от земли способствуют:

- щебёночный балласт;

- просвет между подошвой рельса и поверхностью балласта размером не менее 30 мм;

- железобетонные или деревянные шпалы.

Все присоединённые к рельсам заземляющие провода и соединители изолируют от земли, металлических и железобетонных сооружений.

Представляя тяговую подстанцию источником напряжения с внутренним сопротивлением ρ, равным сопротивлению  сети от источников питания до шин 3 кВ

1

выпрямленного тока, а электровоз, заменяя омической нагрузкой по потребляемому току I_э  реальному электровозу получаем модель взаимодействия тяговой подстанции, контактной подвески, одиночного электровоза и ходовых рельсов с параллельно расположенной землёй:

Модель протекания тока одиночного электровоза

Подстанция; 2 – контактная сеть; 3 – эквивалентная нагрузка; 4 – удельное переходное сопротивление от рельсов к земле; 5 – проводник с сопротивлением, равным нулю, моделирующий землю; 6 – удельное продольное электрическое сопротивление рельсов; 7 – обратный фидер.

В модели различают три характерных участка рельсовой цепи:

I – между подстанцией и нагрузкой;

II – за нагрузкой;

III – за подстанцией.

Расчёт распределения потенциалов и токов в рельсовой цепи можно выполнить с использованием потенциальных диаграмм, т.е. графиков, отображающих потенциалы разных точек рельсовой сети по отношению к земле. Эти диаграммы позволяют косвенно оценить блуждающий ток (без учёта шунтирующего эффекта грунта).

Распределение потенциалов и токов в рельсовых цепях для нагрузки

2

Для схемы рельсовой цепи с одной нагрузкой принимаем, что рельсы имеют бесконечную протяжённость. Выделяем элементарный участок рельсовой цепи, расположенный слева (или справа) от нагрузки I на расстоянии х. Для схемы расположенной ниже, ввиду её полной симметрии ток влево и вправо от точки приложения нагрузки I растекается по рельсам равными долями по 0,5 · I (рис. а).

Для участка I потенциал и ток в рельсах в точке, расположенной на расстоянии х определяется по формулам:

φ_х = · I · m · е^{– к х} , В;

I_х = + · I · е^{– к х} ,     А;

где m =  –  волновое сопротивление рельсовой линии, Ом;

   k =         –    коэффициент затухания рельсовой линии,    1/км;

   r_п – удельное переходное сопротивление от рельсов к земле, Ом · км;

   r_р – продольное сопротивление 1 км рельсов, Ом/км.

На участке II ток в рельсах течёт в направлении, обратном току, которое принято за положительное, и поэтому формула для этого участка

I_х = – · I · е^{– к х} ,     А.

Для нагрузки в точке 0₁ (учитывая, что она направлена от рельсов, а не к рельсам) диаграммы распределения потенциалов и токов строятся и рассчитываются аналогично, но с противоположным знаком.