В настоящем, 4 м издании учебника рассмотрены современные
реклама
В настоящем, 4 м издании учебника
рассмотрены современные схемы и устройства
электроснабжения желез ных дорог, включая
систему 2x25 кВ, а также электрических
станции, тяго вых подстанции и контактной
сети постоянного и переменного тока
УДК 621.331:621.311 (075.32)
Звездкин М. Н. Электроснабжение электрифицированных
железных дорог: УчеОпик для техникумов ж.-д. трансп. —
4-е изд., лерераб. и доп. — М.: Транспорт, 1985. — 263 с.
Описаны устройства системы электроснабжения
железных дорог постоянного и переменного тока;
рассмотрены устройства электрических станций, тяговых
подстанций и контактной сети. Приведены основы
механического
расчета
контактных
подвесок
и
электрический расчет системы тягового электроснабжения. В
настоящем издании по сравнению с предыдущим, вышедшим
в 1979 г., внесены изменения, которые произошли в
устройствах электроснабжения в период 1979—1984 гг.
Предназначен
для
учащихся
техникумов
по
специальности «Электротяговое хозяйство железных дорог»,
может быть полезен инженерно-техническому персоналу
локомотивных служб н электродепо.
Ил. 122, табл. 1.
Р е ц е н з е н т В. Ф. Кирюхина З а в е д у ю щ и й
р е д а к ц и е й Н. В Зенькович Р е д а к т о р С. А.
Каткова
„3602030000
-094
ок
3
049(01)-85
© Издательство «Транспорт», 1985
ОТ АВТОРА
Система
электроснабжения
электрифицированных
железных дорог отличается от систем электроснабжения
промышленных предприятий тем, что от нее получают
питание движущиеся поезда, нетяговые железнодорожные
потребители, промышленные, сельскохозяйственные и
коммунальные
потребители,
находящиеся
в
зоне
электрифицированной линии.
Материалы учебника знакомят читателя и учащихся с
устройствами системы электроснабжения и организацией ее
эксплуатации.
Протяженность электрифицированных дорог к началу
1985 г. составила 47,9 тыс. км (в том числе 21 тыс. км на
переменном токе 25 кВ), или 32,6% общей протяженности сети
железных дорог.
В 1985 г. основные работы по электрификации будут
выполнены на Горьковской, Забайкальской дорогах и
Байкало-Амурской магистрали.
К концу 1985 г. предусмотрено перевести на
электрическую тягу 6000 км железных дорог, таким образом
протяженность электрифицированных линий достигнет 49
тыс. км, на них будет выполняться свыше 60% всей
перевозочной работы дорог. По протяженности и темпам
электрификации железных дорог СССР занимает первое место
в мире.
Электрифицированные железные дороги пополнились
новым электроподвижным составом:
грузовыми
электровозами ВЛ11, ВЛ15, ВЛ800, ВЛ80Р, ВЛ85, способными
водить поезда массой 10 тыс. т со скоростью 120 км/ч,
пассажирскими электровозами ЧС6, ЧС7 и ЧС8 и
электропоездом ЭР200 для скоростного движе- ния.
Устройства
электроснабжения
обладают
высокой
надежностью работы, бесперебойностью электроснабжения,
экономичностью. Широко применяются и разраз
батываются новые, более совершенные и экономичные методы
обслуживания и диагностического контроля элементов
системы' электроснабжения.
Успешно
работает
система
электроснабжения
переменного тока 2X25 кВ. иа участке Вязьма — Орша —
Минск — Брест (840 км).
На тяговых подстанциях установлены более экономичные
и
совершенные
преобразовательные
агрегаты,
коммутационное оборудование, внедрена автоматика и
телемеханика, позволяющие повысить надежность работы н
сократить численность обслуживающего персонала.
На контактной сети улучшаются конструкции подвесок,
методы их контроля, обслуживания и ремонта, снижается
износ контактных проводов при токосъеме.
С внедрением электрической тяги высокими темпами
развивается транспортная электроэнергетика. Вдоль железных
дорог уже построено 49,5 тыс. км. линий продольного
электроснабжения напряжением 10 и 35 кВ, проводится
модернизация оборудования; устройства электроснабжения
железнодорожных узлов переводятся на телеуправление.
Железнодорожный
транспорт
является
крупным
потребителем электрической энергии. За 1983 г. на
электрическую тягу израсходовано 52,5 млрд. кВт-ч, передано
через тяговые подстанции районным потребителям 25,6 млрд.
кВт-ч, в том числе сельскому хозяйству
8,5 млрд. кВт-ч.
Электростанциями страны в 1983 г. выработано 1417
млрд. кВт-ч. Выработку электроэнергии предусмотрено
довести в 1985 г. до 1550—1600 млрд. кВт-ч, будет пущена в
эксплуатацию на полную мощность (6,4 млн. кВт) самая
крупная в мире Саяно-Шушенская гидроэлектростаиция (на
Енисее).
На базах дешевых углей Экибастузского и КанскоЛчинского месторождений строятся тепловые электростанции
мощностью 4 и 6 мли. кВт. Атомные станции строятся в
районах Северо-Запада, Центра, Юга, Поволжья и Закавказья
4
мощностью 4—6 млн. кВт каждая.
Появление новых электростанций создаст предпосылки
для еще более интенсивной электрификации железных дорог и
развития системы их электроснабжения.
Все предложения и замечания по книге будут приняты
автором с благодарностью. Их следует направлять по адресу:
103064, Москва, Басманный тупик, 6а, издательство
«Транспорт».
Глава первая
СИСТЕМЫ ПЕРВИЧНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.
НЕТЯГОВЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ
1. Схема электроснабжения электрифицированных
дорог
Электровозы и моторные вагоны электрифицированных
железных дорог не являются автономными локомотивами.
Они, находясь на линии, потребляют электроэнергию от
энергосистемы общего пользования.
Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами
электростанции 1 (рис. 1), поступает на повышающую
трансформаторную подстанцию 2 и далее по воздушным
линиям электропередачи (ВЛ) высокого напряжения 3
передается на тяговые подстанции 4, расположенные вдоль
железной дороги. На тяговых подстанциях трехфазный
переменный ток преобразуется в ток соответствующего рода и
напряжения для питания устройств электрической тяги и
районных потребителей. Питание электрических локомотивов
9 осуществляется от контактной сети 7 через токоприемники.
Рельсовая цепь 8 является вторым проводом тяговой сети.
Электрические станции, подстанцин и ВЛ до тяговых
подстанций называют первичной, или внешней частью
системы электроснабжения. Тяговая подстанция, контактная
и рельсовая сеть, а также питающие 5 и отсасывающие 6 линии
образуют тяговую часть этой системы. На электрических
станциях вырабатывается трехфазный переменный ток
частотой 50 Гц и напряжением 6,3; 10,5; 21 кВ. Электроэнергия
поступает на расположенную рядом трансформаторную
подстанцию, где напряжение повышается до 35, ПО, 150, 220,
330, 500 и 750 кВ, при этом значении напряжения
электроэнергия передается на большие расстояния.
6
Передача электроэнергии на
большие
расстояния
более
экономична
при
высоком
напряжении. Принято считать, что
экономически выгодно передавать 1
кВ на 1 км (например, 35 кВ выгодно
передавать на 35 км, но не более 50
км). С повышением напряжения ток
уменьшается, и от него зависит
Рис. 1. Принципиальная
площадь
сечения
проводов,
схема питания
следовательно, затраты металла на
электрифицированного
ннх и стоимость линии. С участка железной дороги:
/ — внешнее
уменьшением тока снижаются также
электроснабжение; I I —
потери энергии в электрических
тяговое электроснабжение
сетях.
Уровень напряжения определяет изоляцию ВЛ. Экономически
выгодное напряжение для передачи в каждом отдельном
случае
находят
выполняя
соответствующий
технико-экономический расчет.
Для бесперебойного электроснабжения потребителей,
лучшего использования установленного электрооборудования
на электростанциях н подстанциях и лучшего качества
энергии1 электрические станции и подстанции одного района
соединяют линиями передачи н таким образом создают
энергетическую систему Все электрифицированные дороги
СССР питаются от энергосистем.
На железных дорогах СССР применяют две системы
электрической тяги:
Показателями качества электроэнергии являются в сетях
переменного тока отклонения и колебания частоты и напряжения,
псснмметрия напряжения, несинусондальиость формы его кривой, а в сетях
постоянного тока — отклонение и колебание напряжения и коэффициент
пульсации напряжения.
7
постоянного тока с номинальным напряжением в тяговой
сети 3 кВ;
однофазного переменного тока 50 Гд с номинальным
напряжением 25 кВ.
На зарубежных дорогах, помимо этого, применяют
систему переменного тока пониженной частоты 16 2/з и 25 Гц.
В качестве преобразователей переменного тока в
постоянный на подстанциях дорог постоянного тока
используют экономичные и надежные в эксплуатации
полупроводниковые преобразователи. На подстанциях дорог
переменного тока 50 Гц преобразователями являются
трансформаторы промышленного илн специального типа.
Тяговые подстанции используют также для питания
промышленных,
сельскохозяйственных
и
нетяговых
железнодорожных нагрузок. Для этого на подстанциях
устанавливают дополнительные трансформаторы. Тяговые
подстанции расположены вдоль железной дороги через 15—20
км на дорогах постоянного тока и через 40—60 км на дорогах
переменного тока.
Контактная сеть служит для подведения электроэнергии к
электроподвнжному составу (э. п. с.) и может быть выполнена
в виде воздушной подвески или дополнительного контактного
рельса (на метрополитенах). Контактная и рельсовая сети
соединены воздушными или кабельными линиями с шинами
тяговой подстанции.
Питание подстанций осуществляется по двум ВЛ, каждая
из которых рассчитана на полную мощность тяговых
подстанций. Основное оборудование тяговых подстанций
(выпрямительные агрегаты, трансформаторы, выключатели)
резервируется. Помимо этого, предусматривают передвижные
тяговые подстанции, которые могут заменить стационарные
прн их отключении нли выходе из строя.
в
Надежность контактной сети обеспечивается повышенным
запасом прочности ее элементов и секционированием, т. е.
разделением контактной сети на секции, изолированные друг
от друга и нормально соединяемые с помощью резъеднннтелен
или выключателей. Питание секций осуществляется от
тяговых подстанций по самостоятельным питающим линиям
(фидерам).
Все потребители электроэнергии Правилами устройства
электроустановок (ПУЭ) разделены на три категории. К 1-й
категории относятся наиболее ответственные потребители, ие
терпящие прекращения подачи электроэнергии. Питание таких
потребителей осуществляется от двух и более источников,
резервное
питание
включается
автоматически.
Для
потребителей 2-й категории (также ответственных)
допускаются перерывы электроснабжения на время,
необходимое для включения питания дежурным персоналом. К
3-й категории относят все остальные потребители. Для них
допускается перерыв в электроснабжении на время,
необходимое для ликвидации повреждения, сроком до одних
суток. В соответствии с категорией потребителя принимают
схемы внешнего электроснабжения и первичной коммутации
установок. Электрифицированные железные дороги относят к
потребителям 1-й категории.
В последние годы разработаны новые системы
электроснабжения. С увеличением объема перевозок,
повышения скоростей движения и массы иоездов все в
большей степени выявляются недостатки систем постоянного
3 кВ н переменного тока 25 кВ, ограничивающих провозную
способность и экономичность линий.
Это вызывает необходимость усиления систем. К
недостаткам
системы
постоянного
тока
относятся
сравнительно низкое напряжение (3 кВ), большая площадь
сечения проводов контактной сети
(400—600 ммг),
большие потери напряжения и энергии в тяговой сети, малое
расстояние между тяговыми подстанциями
9
(15—20 км), наличие блуждающих токов, вызывающих
электрокоррозию металлических подземных сооружений.
Недостатком являются также большие потерн энергии в
пусковых реостатах э. п. с. при разгоне поезда.
Наиболее эффективным средством усиления этой системы
является повышение напряжения в тяговой сети до 6 кВ с
использованием электровозов, оборудованных импульсными
преобразователями постоянного тока. При этом контактная
сеть на 3 кВ остается без изменения, прочность ее изоляции
достаточна для напряжения 6 кВ. Такая система позволяет
сократить потери энергии в тяговой сети в 3—4 раза,
уменьшить опасность перегрева проводов и блуждающие токи;
кроме того, напряжение на тяговых двигателях э. п. с.
стабилизируется вследствие устранения жесткой связи между
контактной сетью и тяговыми двигателями и увеличивается
пропускная способность участка электроснабжения. Однако по
ряду причин дальнейшая разработка системы 6 кВ
приостановлена и в одиннадцатой пятилетке ее практическое
использование не предусматривается.
Чем выше напряжение в тяговой сети, тем эффективнее и
экономичнее система электроснабжения. Однако повышение
напряжения в тяговой сети на более высокое чем 6 кВ
(например, 12 кВ) нецелесообразно, так как это привело бы к
удорожанию системы электроснабжения (переустройству
контактной сети, замене преобразовательных агрегатов на
подстанциях) и созданию нового более дорогого э. п. с.
Сложным было бы стыкование с участками напряжением 3 кВ
(см. параграф 25).
Усиление системы постоянного тока осуществляется
посредством строительства промежуточных подстанций,
постов секционирования и пунктов параллельного
соединения, а также увеличением сечения контактной сети.
Ю
Система однофазного переменного тока 25 кВ частотой 50
Гц интенсивно развивается в СССР и за рубежом.
Преимущества ее обусловлены высоким напряжением в
тяговой сети, в результате чего контактная сеть имеет малую
площадь сечения (150 мм2), простые трансформаторные
подстанции и большое расстояние' .между ними (50 км) и др.
Однако этой системе присущи и недостатки:
неравномерная нагрузка фаз питающей системы (см. параграф
12), вредные электромагнитные влияния иа линии связи н
смежные воздушные линии низкого напряжения, ухудшение
качества энергии, отпускаемой потребителям, возможность
искрообразовання на подземных сооружениях, индуктивное
влияние на контактные подвески соседних путей.
Для устранения этих недостатков и улучшения
энергетических показателей разработана система 2x25 кВ с
автотрансформаторами (АТ), позволяющая сохранить в
тяговой сети 25 кВ существующее оборудование и э. п. с. на
напряжение 25 кВ.
В этой системе (рис. 2) энергия к э. п. с. подводится по
контактной сети 25 кВ не только от тяговых
влив; гг о кв
Рис. 2 Схема системы электроснабжения 2X25 кВ
11
V
ИГ7Г
гие IS к
в
втг
ATI
V*
Дг
♦ /.
1_
/в-If км
-
подстанций, но н линейных понижающих автотрансформаторов
(ATI, АТ2 и т. д.), установленных вдоль железной дороги через
10—15 км между тяговыми подстанциями. Автотрансформатор
получает питание от тяговых подстанций по проводам
контактной подвески К и дополнительному питающему
проводу Я напряжением 50 кВ, а по отношению к рельсам Р и
земле эти провода имеют только 25 кВ. Питающий провод
подвешивают на опорах контактной сети.
Такая система обеспечивает передачу энергии к э. п. с. при
небольших расстояниях между автотрансформаторами
напряжением 25 кВ, а на больших расстояниях — от
подстанции к автотрансформаторам напряжением 50 кВ, что
приводит к снижению потерь напряжения н энергии. Помимо
этого, ток э. п. с. возвращается на подстанцию не по рельсам, а
по питающему проводу, в результате чего уменьшается влияние
тяговой сети на лииин связи н можно применять более дешевый
кабель связи.
На тяговой подстанции устанавливают однофазные
трансформаторы ТР1 н ТР2, имеющие две вторичные обмотки с
напряжением 27,5 кВ, соединенные последовательно. Их общая
точка присоединена к рельсу. Вывод одной обмотки
присоединяют к контактной сети, другой — к питающему
проводу. Первичные обмотки подключают к разным фазампитающей ВЛ по схеме открытого треугольника. Однофазные
трансформаторы
позволяют
осуществлять
пофазное
регулирование напряжения под нагрузкой и создать
независимость напряжения каждого плеча питания от нагрузки
другого, что повышает эффективность системы.
На подстанции устанавливают трн однофазных тяговых
трансформатора: два рабочих н один резервный, который может
заменить любой рабочий. Для питания районных потребителей
на подстанции устанавливают трехфазные трансформаторы.
Потребители с небольшой нагрузкой могут получать питание от
тяговых трансформаторов по системе ДПР (см. параграф 3).
Система 2X25 кВ позволяет увеличить расстояние между
12
подстанциями до 100 км. Стоимость дополнительного
оборудования в системе с автотрансформаторами покрывается
за счет уменьшения расходов на подстанциях.
В процессе эксплуатации установлено, что на дорогах,
электрифицированных по системе 2X25 кВ, электромагнитное
влияние на цепи кабеля связи снижается в 7—11 раз, а опасное
индуктированное напряжение — в 8 раз по сравнению с
системой 25 кВ. Эта система применена на Московской и
Белорусской дорогах и будет использована на БАМе и других
железных дорогах страны.
Увеличение напряжения до 50 кВ в системе 25 кВ
потребовало бы усиления изоляции контактной сети,
применения нового силового и коммутационного оборудования
на тяговых подстанциях и в тяговой сети, замены всего э. п. с.
2. Схемы внешнего электроснабжения тяговых
подстанций
Схемы питания тяговых подстанций могут быть
разнообразными
и
определяются
расположением
электрических станций, подстанций, воздушных линий
электропередачи (ВЛ), тяговых подстанций, характером н
мощностью потребителей прилегающих районов и другими
факторами. При проектировании стремятся иметь схему,
обеспечивающую бесперебойное и надежное электроснабжение
подстанций.
Наиболее типичными схемами, часто встречающимися на
практике, являются кольцевая, двустороннего питания,
одностороннего питания н радиальная. Кольцевая схема (рис. 3,
а) надежна н экономична; все
13
12
±
g
П2
SrnJrП2
1=6
=
о
Ь й»
2
i
~S 6<
ПГзТ
0/ ё/
Рис. 3. Схемы питания тяговых
подстанций:
0/ §г
I — тяговая подстанция; 2 —
электрическая станция или районная
подстанция;
3
—
лнинн
электропередачи; 4 — линия железной
дороги
а)
6)
ej
электрические станции и тяговые подстанции соединены в
кольцо
воздушными
линиями электропередачи.
Тяговые
подстанции имеют два ввода ВЛ. Отключение любого
питающего центра 2 (электрической станции или районной
подстанции) или ВЛ не вызывает прекращения питания
подстанций.
При двустороннем питании (рис. 3,6) центры 2 соединены
линиями передачи через шины тяговых подстанций.
Подстанции имеют два ввода ВЛ. Эта система питания надежна
и экономична. В том случае, если ВЛ являются линиями
передачи межсистемной связи, для увеличения надежности на
всем протяжении их выполняют двухцепнымн. (На рис. 3, б
14
вторая цепь ВЛ показана штриховой линией). Такая система
питания является дорогой из-за двойного количества вводов ВЛ
на подстанциях. Для уменьшения этих затрат применяют схемы
с уменьшенным числом вводов (рис. 3, б). Тяговые подстанции,
на шины которых заведены все ВЛ через выключатели,
получили название опорных, а остальные — промежуточных.
Промежуточные под
15
станции присоединяют к ВЛ в разрез линии илн отпайкой в
зависимости от числа подстанций и принятой схемы.
Одностороннее питание (рис. 3, г) применяют в тех
случаях, когда имеется одна электрическая станция или
районная подстанция в данном районе. Надежность питания
тяговых подстанций в этом случае ниже, чем при кольцевом и
двустороннем питании. Для повышения надежности
применяют двухцепные ВЛ, а с целью уменьшения стоимости
подстанции каждую цепь ВЛ заводят не на все подстанции, а
через одну в шахматном порядке.
Если конфигурация железной дороги имеет вид,
показанный на рис. 3, д, наиболее удобной может оказаться
радиальная схема питания. Для большей надежности каждую
подстанцию соединяют с электрической станцией двумя
линиями передачи.
Питание тяговых подстанций осуществляют по ВЛ
напряжением 6, 10, 35, 110, 150 и 220 кВ. Напряжения 6 н 10 кВ
применяют для питания концевых подстанций постоянного
тока при небольшой нх мощности и близком расположении от
питающих станций или подстанций. Наибольшее применение
получили схемы электроснабжения тяговых подстанций с
использованием одно- и двухцепных линий при напряжении
110 кВ, трассы которых проходят вдоль железных дорог. Такие
ВЛ соединяют обычно два источника электроснабжения и,
кроме питания тяговых и районных нагрузок, позволяют
осуществлять связь между системами. Напряжения 150 и 220
кВ также используют, но стоимость коммутационного
оборудования подстанции при этом возрастает.
На дорогах постоянного тока подключают к ВЛ не более
пяти промежуточных подстанций при расстоянии между
опорными подстанциями 100—150 км. На
дорогах переменного тока между опорными подстанци
ями подключают не более трех промежуточных при
напряжении 110 кВ и не более пяти при напряжении 220 кВ.
Расстояние между опорными подстанциями будет 200—300 км.
Опорные подстанции I (рнс. 4) могут иметь от трех до
четырех
вводов
и
выполняют
их
с
одиночной
секционированной
или
двойной
системой
шнн
с
выключателями В на вводах н шиносоединительным
выключателем ШС. Промежуточные подстанции II и III
выключателей н сборных шии не имеют, а в качестве
коммутационных аппаратов на них используют отделители 01 и
02 и разъединители PI, Р2, PI', Р2' Пользоваться этими
аппаратами можно в период отсутствия тока в отключаемой
цепи, т. е. между моментом отключения выключателя В в
начале ВЛ на опорной подстанции и моментом его
автоматического повторного включения (АПВ).
перемычка с выключателем 16
17
На промежуточных подстанциях применяют короткозамыкатели К1 и К2. Срабатывание защиты вызывает
включение короткозамыкателя, создающего искусственное
короткое замыкание на землю одной из фаз питающей ВЛ, что
приводит к отключению выключателя иа опорной
подстанции. Разъединители Р1 и Р2 в отличие от Р1' и Р2'
имеют дистанционный привод.
3. Нетяговые потребители электрифицированных дорог
При электрификации железных дорог предусматривается
питание ие только железнодорожных, ио и районных
потребителей, находящихся в зоне электрифицируемой
линии, если там иет других источников питания. Различные
железнодорожные линейные п районные потребители
называют нетяговыми.
К железнодорожным потребителям относят силовые и
осветительные нагрузки промежуточных станций, разъездов,
служебных и бытовых зданий, нагрузки локомотивных и
вагонных депо, электрифицированные механизмы н
инструменты путевых бригад, а к районным — нагрузки
колхозов, совхозов и промышленных предприятий,
расположенных вдоль дороги в пределах до 30 км в сторону
от нее.
Потребители большой мощности обычно получают электроэнергию по отдельным трехфазным ВЛ напряжением
10—35 кВ от специально устанавливаемых на тяговых
подстанциях трансформаторов. Питание железнодорожных и
близлежащих районных потребителей осуществляют от ВЛ 10
кВ продольного электроснабжения, располагаемых на опорах
контактной сети с полевой стороны. Эти ВЛ допускают отбор
энергии в любом месте с помощью передвижных или
стационарных комплектных трансформаторных подстанций
(КТП).
На дорогах переменного тока электроснабжение
нетяговых потребителей осуществляют по схеме ДПР
(два провода — рельс) (рис. 5). Эти дополнительные провода
Д1 н Д2 подвешивают на опорах контактной сети с полевой
стороны и получают питание от распределительного
устройства (РУ) 27,5 кВ тяговой подстанции. Третьей фазой
являются ходовые рельсы Р. Линия ДПР нормально питается
от обеих подстанций, но имеет раздел питания посередине. В
случае необходимости всю линию ДПР можно питать от
одной подстанции. Прн неодинаковом чередовании фаз на
тяговых трансформаторах смежных подстанций (см. ряс. 31)
для избежания изменения направления вращения трехфазных
двигателей в случае подключения к другой подстанции
предусматривается переключение двух фаз.
Стоимость электроснабжения системы ДПР по сравнению
с продольными трехфазными ВЛ 10 кВ меньше в 1,5—2 раза,
а с ВЛ 35 кВ меньше в 2—2,3 раза.
Стационарные КТП имеют мощность: однофазные от 2 до
50 кВ-A, а трехфазные от 25 до 400 кВ-A. Вторичное
напряжение КТП составляет 0,4/0,23 кВ. Для пи-
19
тання электроинструмента и путевых механизмов применяют
однофазные и трехфазные передвижные КТП мощностью от 1
до 3 кВ-А. Несимметрия в системе ДПР достигает 3—5%. что
является ее недостатком. Воздушные линии автоблокировки 10
кВ получают питание от тяговых подстанций.
4. Классификация электрических станций и особеииости их
производственного процесса
Общие сведения. Электрической станцией называют
промышленное
предприятие,
вырабатывающее
электроэнергию для снабжения ею различных потребителей.
Электростанции подразделяют на тепловые, атомные,
гидроэлектрические, ветроэлектростанции, солнечные и др.
ТеплоЬые электростанции по роду первичного двигателя могут
быть с паровыми турбинами, машинами с двигателями
внутреннего сгорания и газовыми турбинами. Атомные
электростанции
(АЭС)
являются
также
тепловыми,
паротурбинными, ио работают не на органическом, а на
ядерном топливе. Гидроэлектростанции (ГЭС) в зависимости
от способа создания напора воды могут быть приплотинными,
деривационными,
смешанными.
Ветроэлектростанции,
солнечные, геотермальные используют соответственно
энергию ветра, солнца, тепло недр земли. Онн имеют пока
ограниченные мощности и применяются редко.
Основное значение в электроэнергетике СССР имеют
тепловые паротурбинные электростанции, на которых
вырабатывается 78% всей электроэнергии, на ГЭС — 15% и на
АЭС — 7%. Паротурбинные электростанции могут быть
конденсационными (КЭС) и теплофикационными (ТЭЦ).
Первые снабжают потребителей только электроэнергией, а
ТЭЦ—и электрической и тепловой энергией в виде пара и
горйчем воды. В качестве топлива используется каменный
уголь, сланцы, торф, мазут и природный газ. Электростанции
на газе по сравнению с электростанциями, работающими на
твердом топливе, требуют меньших капитальных затрат на
15—20%, к. п. д. их выше на 3—4%, а себестоимость
20
электроэнергии ниже. К началу 1982 г. в СССР и за рубежом
введено в эксплуатацию более 250 АЭС. Запасы на земле
ядериого топлива (по содержанию энергии) во много раз
больше, чем органического. Кроме того, АЭС меньше
загрязняют атмосферу и почву, чем тепловые КЭС и ТЭЦ.
Предполагается, что к 2000 г. выработка электроэнергии на
АЭС во всех странах достигнет 50% общей выработки
электроэнергии.
Получают развитие новые типы электростанций с
магнитогидродинамическими
(МГД)
и
плазменными
генераторами. МГД-генераторы позволяют непосредственно
преобразовывать тепло в электроэнергию и могут использовать
как органическое, так и ядерное топливо. Электроэнергия в
МГД-генераторах
вырабатывается
в
результате
взаимодействия быстроперемещаю- щихся электропроводящих
жидкости или газа в неподвижном магнитном поле. Сильные
магнитные поля создают в специальных установках, в которых
обмотки
электромагнитов
работают
в
условиях
сверхпроводимости при температуре жидкого гелия. К-п.д.
таких установок достигает 60%. Если перевести одну тепловую
КЭС мощностью 1 млн. кВт на работу с МГД-генерато- рами,
то экономия в год составит 500 тыс. т топлива.
Электрические станции подразделяют на местные и
районные. Районные электростанции имеют значительную
мощность и предназначаются для питания потребителей
крупного района. Электростанции делят также на
стационарные и передвижные. Передвижные используют при
строительстве и ремонтио-восстановительных работах.
Выполняют их на автомобильном и железнодорожном ходу.
Электростанции на железнодорожном
21
ходу (мощностью
2,5—10
тыс.
кВт)
называют
энергопоездами.
Конденсационные
электростанции
(КЭС).
Рассмотрим работу КЭС (рис.
6): со склада топлива 1 уголь
по транспортерам поступает в
угледробильные
2
и
пылеприготовительное
3
устройства,
где
он
размалывается
до
пылевидного состояния и
через горелки вдувается в
топку котла 4 вентилятором 7.
Для
лучшего
сгорания
угольную пыль подогревают
горячим воздухом. Воздух
подогревается в воздухоподогревателе 6
ОТХОДЯЩИМИ
|>И|-- 6-
Принципиальная схема
г
г
технологического процесса тел-
дымовымн газами котла. Га- ловой конденсационной элект- зы
отсасываются В атмос- ростанции и теплоэлектроцеит- феру
дымососом 8. Пар из ргт, работающих иа угле котла поступает в
турбину
14. приводя ее во вращение. Вал турбины соединен с валом
электрического генератора 9, в результате чего механическая
энергия преобразуется в электрическую. Электроэнергия
поступает на сборные шины 10 станции; часть ее
распределяется иа генераторном напряжении, другая часть
поступает иа повышающую подстанцию 11 к прн напряжении
35 кВ и выше передается по ВЛ в энергосистему.
Отработавший в турбине пар конденсируется в
конденсаторе 13 под действием температуры проточной воды,
подаваемой насосом 12 из реки или водоема. Конденсат
насосом 20 подается в питательный бак 18 и далее с помощью
насоса 16 через подогреватели 15
22
и 5 поступает в котел. Использование конденсата пара
уменьшает загрязнение, котла. Для восполнения потерь в
турбине, конденсаторе и других элементах и расхода пара н
воды на собственные нужды электростанции в бак 18
добавляют воду из водопровода, предварительно очищенную в
устройстве 17 от механических и химических примесей. В
котел поступает вода температурой 160—200° С.
К. п. д. КЭС составляет 35%. Такой низкий к. п. д.
объясняется большими потерями в конденсаторе, котле,
паропроводах, турбинах, генераторах. К. п. д. КЭС (%)
860 100
12,3
т
'^ о-7000 а
где 860 — тепловой эквивалент 1 кВт-ч, ккал; а —
удельный расход топлива, кг/(кВт-ч);
7000 — теплотворная способность 1 кг условного топлива, ккал.
Например, при а=0,34 кг/(кВт-ч) имеем т)=36,2%.
На современных КЭС применяют турбогенераторы
мощностью 200; 300; 500; 800 и 1200 тыс. кВт с давлением пара
22—30 МПа и температурой перегрева 560— 600° С. С
увеличением параметров пара и единичной мощности
агрегатов к. п. д. электростанции возрастает. КЭС обычно
строят в местах добычи дешевого природного топлива, так как
перевозка ею на большие расстояния неэкономична.
Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Располагают ТЭЦ в местах
потребления тепловой энергии и работают они на привозном
высококалорийном топливе. Теплофикационные турбины
имеют несколько ступеней отбора пара. От этих ступеней пар
поступает непосредственно на производства (см. штриховую
линию на рис. 6) и в водоподогреватель 21 (бойлер), через
который насосом 22 нагретая до 100—— 120' С вода подается в
отопительные системы и для бытовых услуг. В бойлере пар,
отдав тепло, конденсируется и конденсат насосом 19 подается в
питательную систему котла.
К. п. д. ТЭЦ достигает 60—70%. Комбинированная
выработка иа ТЭЦ тепловой и электрической энергии
23
позволяет экономить 15—20% топлива по сравнению с
раздельной выработкой электроэнергии иа КЭС и тепловой
энергии в котельных установках. Наиболее экономичным
является режим работы ТЭЦ по графику теплового
потребления при наименьшем пропуске пара к конденсатору.
На ТЭЦ устанавливают турбины мощностью 50, 100 и 250
тыс. кВт с напряжением генератора 6 и 10 кВ. Для связи с
электросетью энергосистемы сооружают повышающую
подстанцию со вторичным напряжением 35—220 кВ.
Атомные электростанции (АЭС). На АЭС используется
тепловая энергия деления ядер расщепляющихся материалов:
ураиа-235, плутоиия-239, урана-233, получивших название
ядерного топлива. Атомные котлы имеют специальные
замедлители, называемые реакторами. В иих внутриядерная
энергия преобразуется в тепловую, а тепловая через
теплоноситель (воду и пар) — в электрическую. АЭС
сооружают с реакторами на тепловых нейтронах и на быстрых
нейтронах. Они могут работать по технологическому процессу
КЭС или ТЭЦ.
Рассмотрим упрощенную схему одного из вариантов
технологического процесса работы атомной электростанции
(рис. 7). В реакторе 1 происходит цепная реакция деления ядер
ураиа-235 медленными нейтронами, в результате чего
выделяется большое количество тепловой энергии. В качестве
замедлителей нейтронов используют графит. В графитовых
блоках 2 имеются цилиндрические каналы, в которые
вставлены втулки 3, выполненные из урана в виде
специального сплава. По находящимся внутри канала 5
U-образным сталь-
24
Рис. 7. Принципиальная схема технологического процесса атомной
конденсационной электростанции
ным трубам под давлением протекает вода. Выделяющееся в
процессе деления ядер урана тепло отводится водой,
циркулирующей в трубах. Нагретая до 320° С вода с давлением
20 МПа поступает в сепаратор 6, в верхней части которого
собирается насыщенный пар. Этот пар подсушивается и
перегревается, проходя вновь по трубам каналов 4 реактора.
Перегретый пар из этих каналов (530° С и 17 МПа) поступает
по трубам в парогенератор 9; пройдя его, пар конденсируется и
конденсат вместе с водой из сепаратора 6 насосом 7 подается в
каналы 5 реактора.
Парогенератор состоит из подогревателя конденсата 8,
парогенератора насыщенного пара 10 и пароперегревателя 11.
Перегретый пар из парогенератора поступает в паровую
турбину 12, которая приводит во вращение генератор 13.
Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор 14,
откуда конденсат насосом 15 подается в подогреватель 16 и
далее в парогенератор 9.
Реактор и охлаждающий его теплоноситель — источники
опасных для людей радиоактивных излучений.
25
Поэтому помещения реакторов и парогенераторов ограждают
защитными конструкциями, выполненными из толстых слоев
бетона, свинца, воды и других: материалов. На АЭС
предусмотрены два самостоятельных контура циркуляции,
что сделано для безопасности обслуживающего персонала.
Пар второго контура перегревается до 480—500° С и под
давлением 9 МПа поступает в турбину.
Производительность реактора регулируют с помощью
стержней, выполненных из материала, активно поглощающего
нейтроны, и находящихся в каналах реактора. Изменяя
положение этих стержней, меняют интенсивность реакции
деления ядер урана. К- п. д. такой АЭС — 35%. Себестоимость
электроэнергии на мощных АЭС ниже себестоимости
электроэнергии иа КЭС. При ядерной реакции 1 г урана-235
выделяется энергия 22 тыс. кВт-ч (19 млн. ккал), что
эквивалентно энергии, выделяющейся при сжигании 2800 кг
угля. Первая в мире АЭС мощностью 5 тыс. кВт была пущена
в эксплуатацию в СССР в 1954 г. Мощность блоков
современных АЭС составляет 1—1,5 млн. кВт.
Дальнейшее развитие и совершенствование атомной
энергетики — сооружение АЭС с реакторами иа быстрых
нейтронах, топливом для которых является плутоний-239 и
уран-233 (в природе их нет), получаемые соответственно из
урана-238 и тория-232 в реакторах-размножителях. В 1 т
естественного урана содержится 7 кг ураиа-235 и 99,3%
приходится
на
долю
урана-238,
нормально
не
расщепляющегося. В результате реакций одновременно с
получением энергии воспроизводится новое вещество —
плутоиий-239, являющийся эффективным ядериым топливом.
Реакторы на быстрых нейтронах способны не только
вырабатывать энергию, ио и обеспечивать воспроизводство
топлива для своей работы. Коэффициент воспроизводст-
26
ва ядерного топлива достигает 1,4—1,7 в зависимости от типа
реактора.
Превращение в реакторах-размножителях урана-238 в
плутоний-239 увеличивает ресурсы ядерного топлива примерно в
100 раз, а тория-232 в уран-233 — в 200 раз. В СССР первая АЭС на
быстрых нейтронах мощностью 350 тыс. кВт работает с 1973 г. в г.
Шевченко. На Белоярской АЭС (на Урале) работают агрегаты
мощностью по 600 тыс. кВт. Перспектива использования ядерной
энергии — путь синтеза легких атомных ядер. Реакция слияния
легких атомных ядер и образования более тяжелых называется
термоядерной, или термоядерным синтезом. Соединение ядер
тяжелого водорода — дейтерия и сверхтяжелого водорода —
трития в процессе синтеза образует гелий, в результате чего
освобождается в 7—8 раз больше энергии, чем при ядерной
реакции деления. После решения проблемы управления
термоядерной реакцией откроется неисчерпаемый источник
энергии, так как количество дейтерия в мировом океане очень
велико (~5-1013 т).
Гидроэлектростанции (ГЭС). Советский Союз располагает
большими
гидроэнергетическими
ресурсами,
широкое
использование их для производства электроэнергии позволяет
экономить твердое и жидкое топливо. ГЭС строят на реках и
каналах, строят также приливные электростанции (ПЭС),
использующие энергию приливов и отливов океанов и морей. На
горных реках поток воды отводят на ГЭС деривационным каналом
или тоннелем, идущим в обход основного русла реки.
Гидростанции, на которых напор создается и плотиной и
деривацией,
называются
плотинно-деривационными.
Деривационные ГЭС строят малой и средней мощности. На
полноводных реках равнин напор создается плотиной,
перегораживающей русло реки. Такие ГЭС называют плотинными.
Основными сооружениями гидроузла являются плотина, здание
ГЭС и судоходный шлюз. Уровень воды перед плотиной называют
верхним бьефом, ниже плотины — нижним бьефом. Разность
верхнего и нижнего бьефов называют напором.
27
Плотины бывают водосливные и глухие; они могут быть
сооружены из железобетона и земли. Водосливные плотины
создают необходимый напор и имеют устройства для сбрасывания
лишней воды в нижний бьеф при паводках. Глухие плотины
служат только для создания необходимого напора. При небольших
напорах (до 30 м) здание электростанции встраивают в
водонапорное сооружение и оно является продолжением плотины.
Такие ГЭС называют русловыми.
При напорах более 30—40 м обычно сооружают ГЭС
приплотинного типа, у которых здание расположено ниже
плотины, со стороны нижнего бьефа. Весь напор воды
воспринимается телом плотины 1 (рис. 8). Вода из верхнего бьефа
2 по каналу 3 плотины поступает в спиральную камеру 6 и стекает
на лопасти колеса турбины 5, затем через канал 4 — в нижний бьеф
7. Под действием напора Н вода отдает свою энергию турбине,
приводящей во вращение генератор 9. Гидротурбина и генератор
имеют общий вал 8 и расположены обычно вертикально.
Электроэнергия от генератора поступает иа шины генераторного
напряжения 6,6; 10,5; 18 и 21 кВ. Часть ее распределяется на этом
же напряжении, а остальная часть после повышения напряжения
до 35—750 кВ передается по ВЛ в энергосистему для
распределения.
На ГЭС устанавливают гидрогенераторы мощностью 10, 20,
30, 50, 100, 200, 300, 500 и 640 тыс. кВт. К. п.д. гидростанции
достигает 85—86% (потери в гидросооружениях 4%,
гидротурбинах 6% и генераторах 3—5%). Себестоимость
электроэнергии ГЭС в 5—8 раз меньше, чем вырабатываемой иа
КЭС.
Гидроаккумулирующие
электростанции
(ГАЭС).
Электрическую энергию нельзя запасти в больших ко-
28
личествах. А такие запасы необходимы в связи с
неравномерным суточным потреблением электроэнергии в
крупных промышленных центрах и городах. В отдельные
часы дня (утром, вечером) расход энергии резко возрастает,
ночью снижается. Для покрытия «пиковой» части графика
нагрузки электрической системы и служит ГАЭС. Ночью в
часы снижения нагрузок турбины ГАЭС работают в режиме
насоса, закачивая воду из реки в специальное водохранилище,
расположенное иа большей высоте, чем река. В часы
«пиковых» нагрузок
29
вода из этого водохранилища подается на турбины ГАЭС, в
результате чего вырабатывается электроэнергия для
покрытия этих нагрузок. ГАЭС способна развивать
необходимую мощность в течение нескольких минут, в то
время как турбинам КЭС и АЭС для этого необходимы часы.
Первая ГАЭС в нашей стране работает под Киевом.
Сооружается Загорская ГАЭС под Москвой мощностью 1200
тыс. кВт. Она будет использовать 100-мет- ровыи перепад
между рекой и искусственным водохранилищем. ГАЭС
будут сооружаться и в других районах страны, мощность
каждой составит 1,5—2,0 МВт.
5. Общие сведения о подстанциях
Генераторы и приемники электроэнергии выпускают на
определенные стандартные напряжения (ГОСТ 721— 77*),
поэтому при передаче и распределении электроэнергии ее
приходится преобразовать несколько раз, изменяя значение
напряжения. Преобразователями переменного тока являются
силовые трансформаторы.
Электрические установки, служащие для приема,
преобразования переменного тока одного напряжения в
другое при той же частоте и распределения электроэнергии,
называют трансформаторными подстанциями. Подстанции
могут быть повышающими П1 (рис. 9) и понижающими,
первые сооружают рядом с электростанциями и служат для
повышения генераторного напряжения до требуемого
значения: 35—750 кВ в зависимости от удаленности
потребителей. Понижающие подстанции размещают в
местах потребления и распределения электроэнергии *.и
предназначены они для понижения напряжения (35; 10,5 кВ и
ниже).
Понижающие подстанции подразделяют на районные и
местные. Районные снабжают электроэнергией большие
районы с городскими, йромышлениыми, желез-
30
нодорожными и другими потребителями. Эти подстанции
получают питание по ВЛ ПО кВ и выше, вторичное напряжение их
ПО; 35; 10,5 или 6,3 кВ. Районные подстанции могут быть
узловыми П2 (см. рис. 9), проходными ПЗ и тупиковыми П4.
Местные подстанции предназначены для электроснабжения
небольших городов, железнодорожных станций или узлов. Они
могут получать питание от ВЛ 110—35 кВ П4. Вторичное
напряжение их 6 и 10 кВ. Понижающие подстанции, имеющие
одно вторичное напряжение 400/230 В для питания осветительной
сети или небольшой силовой нагрузки (ТП2) или два напряжения
400/230 и 690 В (ТП1), называют трансформаторными пунктами.
Их располагают у потребителей, устанавливая один или два
трансформатора небольшой мощности ( у потребителей
напряжение 380/220 и 660 В).
6. Электрическое оборудование и схемы соединений
электрических станций и подстанций
Электрооборудование и классификация схем. Помимо
генераторов и трансформаторов, к основному оборудованию
электростанций и подстанций относят синхронные компенсаторы,
предназначенные для выработки реактивной мощности и
регулирования
напряжения
в
электрических
сетях;
31
электродвигатели для привода вспомогательных машин и
механизмов, а также различную электрическую аппаратуру и
приборы, необходимые для включения, отключения электрических
цепей, измерения, контроля и автоматизации. Все оборудование,
аппараты и приборы соединяют шинами, кабелями и проводами в
соответствии с электрической схемой установки.
Схемой электрических соединений называют чертеж, на
котором условными обозначениями нанесены элементы
оборудования электрической установки, показаны соединения
между ними в последовательности, необходимой для нормального
действия установки. Различают схемы первичной и вторичной
коммутации. На с х е м а х п е р в и ч н о й к о м м у т а ц и и
изображают основные цепи, по которым электроэнергия
передается
от
генераторов
или
трансформаторов
к
электроприемникам. В этих цепях применяют аппараты,
необходимые для включения и отключения агрегатов, для
ограничения токов короткого замыкания (реакторы), для защиты
установок от перенапряжений (разрядники), измерительные
трансформаторы тока и напряжения. К ц е п я м в т о р и ч н о й
к о м м у т а ц и и относят аппараты, с помощью которых
осуществляют управление и контроль за работой основного
оборудования.
Схемы
первичной
коммутации
подразделяют
иа
однолинейные и трехлинейные. В однолинейной схеме три фазы
установки одинаковы и их условно обозначают одной линией, что
делает ее более простой и наглядной. Она дает общее
представление об электрической установке в целом и основном ее
оборудовании. Трехлинейные схемы составляют из трех фаз с
указанием всего оборудования первичной цепи. Иногда на этом же
чертеже изображают соединения контрольно-измери-
32
гельных приборов с измерительными трансформаторами,
соединения реле защит, сигнализации, автоматики. Ввиду
сложности и громоздкости трехлинейные схемы составляют
обычно для отдельных элементов установки.
При монтаже используют м о н т а ж н ы е с х е м ы
к о м м у т а ц и и . Их выполняют с маркировкой всех цепей,
зажимов элементов оборудования. После внесения всех
измерений, проведенных в процессе монтажа, такие схемы
называют
исполнительными.
Пользуясь
ими,
эксплуатационный и ремонтный персонал может легко и
быстро находить нужные цепи и зажимы, устранять
различные неисправности, возникающие в процессе работы
установки. Схема электрической установки должна быть
простой и наглядной, учитывать удобство и безопасность
при обслуживании оборудования, обеспечивать надежное и
бесперебойное электроснабжение потребителей.
Схемы
электрических
станций.
Электроэнергия,
вырабатываемая генераторами Г1 и Г2 электростанции (рис.
10), поступает на сборные шины СШ, а с них по отходящим
ВЛ — к потребителям. Генераторы и отходящие ВЛ
соединены с системой шин 10 кВ разъединителями Р и
выключателями В, а измерительный трансформатор ТН —
разъединителем и предохранителем Пр. Понижающие
трансформаторы Т1 и Т2 служат для питания собственных
иужд станции. В цепях напряжением 400/230 В установлены
автоматические выключатели А В, рубильники и
предохранители Пр.
Выключатели В1, В2 предназначены для включения и
отключения цепей под нагрузкой при эксплуатации и для
автоматического отключения их при повреждениях и
перегрузках. Они снабжены приводами для дистанционного
включения и отключения. Разъединители PI, Р2 используют
для снятия напряжения с части электроустановки после
разрыва цепи тока выключателями. Рубильник служит для
ручного включения и отключе-
33
Отходящие ЛЭП
Рис. 10. Однолинейная схема электрических соединений электрической
станции:
I — РУ 10 кВ; 2 — машинный зал; 3 — РУ собственных нужд 400/230 В
иия цепей постоянного и переменного тока напряжением до
660 В включительно. При перегрузках и повреждениях эти
цепи отключаются плавкими предохранителями.
Автоматические
выключатели
предназначены
для
включения и отключения при эксплуатации и автома- 2-5128
33
тического отключения при перегрузках и повреждениях части
установки переменного тока напряжением до 600 В
включительно. Они могут заменять рубильники и плавкие
предохранители.
В установках напряжением свыше 1000 В для измерения
токов, напряжений и для питания цепей релейной защиты
применяют трансформаторы тока ТТ и трансформаторы
напряжения ТИ (см. параграф 14). Измерительные приборы
(амперметры, вольтметры, счетчики) предназначены для контроля
работы установки и учета вырабатываемой и распределяемой
электроэнергии.
На станциях и подстанциях применяют релейную защиту,
которая обеспечивает быстрое автоматическое отключение
выключателей участков цепи высокого напряжения при всех
ненормальных режимах, опасных для электрооборудования. Она
состоит из нескольких реле, которые реагируют на все
ненормальные режимы. В некоторых случаях релейная защита
действует только на сигнальные устройства (звонки, сирена,
лампа), извещающие дежурный персонал (см. параграф 16).
Устройства автоматики служат для обеспечения заданного
режима работы установки и отключения ее при опасных режимах.
!
Надежность работы электроустановки зависит от ее схемы.
Схема электрической станции, приведенная иа рис. 10, не может
обеспечить бесперебойность и надежность электроснабжения
потребителей, так как в случае повреждения сборных шин или
отключения их для ремонта прекратит работу вся электростанция.
Это устраняется при секционировании сборных шин (СШ). К
каждой секции СШ1 и СШ2 (рис. 11, а) присоединяют одинаковое
количество генераторов и отходящих ВЛ, электрически их
соединяют разъединителями Р1 и выключателем ВШ. При
коротком замыкании на СШ автоматически отключается только
поврежденная сек-
35
Рнс. 11. Однолинейная схема электрической станции с одной
секционированной ( а ) и двумя ( б ) системами шин
ция. В случае ревизии или ремонта СШ отключают поочередно по
одной секции. Недостатком схемы является неизбежное
отключение части потребителей и уменьшение мощности
электростанции при ремонте одной секции сборных шин.
Секционирование сборных шин применяют на электрических
станциях небольшой и средней мощности. На станциях большой
мощности используют две системы сборных шин СШ1 и СШ2
(рис. 11,6), одна из них является рабочей, вторая — резервной.
Можно работать и на обеих системах шин одновременно. Шииосоединительный выключатель ВШ служит для проверки
готовности резервной системы шин к работе; им можно также
заменить выключатель В любого генератора или ВЛ.
Двойная система шин позволяет поочередно ремонтировать
сборные шины без нарушения питания потребителей; проводить
ревизию или ремонт выключателя В любой цепи, заменяя его ВШ с
кратковременным перерывом питания этой цепи; осуществлять
раздель- 2*
35
36
а) вл
вл
6) Л1 лг лз т этих
ную работу генераторов
и часта ВЛ переключением
цепей на резервную систему шин. Последнее осуществляют
при проведении испытаний или проверке работы
оборудования. Двойная система шин обеспечивает
эксплуатационную гибкость и высокую надежность работы
установки. Однако при этом увеличивается количество
оборудования и расход цветного металла, усложняется
распределительное устройство (РУ), что ведет к увеличению
стоимости установки.
Штриховой линией со стрелками на рис. 11,6 показан путь
тока при ремонте выключателя В2 линии Л2 и замене его
выключателем ВШ. Рабочей является система шин СШ2, к
ней и присоединены генераторы и ВЛ. Включая ВШ,
проверяют исправность резервной системы шин СШ1. Если
она оказалась исправной (ВШ автоматически не отключился
при включении), то отключают ВШ и выключатель В2 на
линии Л2. Затем отключают линейные Р2 и шинные Р1
разъединители этой линии и отсоединяют выключатель В2, а
вместо него ставят шинную перемычку ШП. Далее включают
разъединители Р1 и Р2 линии Л2 иа резервную систему шии
СШ1. После этого включают ВШ, в результате чего линия Л2
оказывается введенной в работу, а роль ее выключателя
выполняет ВШ.
На электрических станциях, когда вся вырабатываемая
генераторами электроэнергия передается в сеть напряжением
35—220 кВ и выше, РУ генераторного напряжения не
предусматривается. В этом случае каждый генератор
соединяют с повышающим трансформатором. образуя один
агрегат, называемый блоком, — генератор-трансформатор.
Схемы повышающих и понижающих подстанций.
На
трансформаторных
подстанциях
в
основном
устанавливают такое же коммутационное оборудование, как
и на электростанциях. В зависимости от назначения
подстанции, ее мощности и ответственности пот
ребителей, получающих от нее питание, она может иметь РУ
на два или три значения напряжения. Распределительные
устройства
выполняют
с
одинарной,
одинарной
секционированной и двойной системами шнн как на
первичном, так и на вторичном напряжении. Каждое РУ
имеет свою систему шин с необходимым коммутационным
оборудованием. На подстанциях с большим количеством
линий 110 и 220 кВ применяют схемы с двойной и обходной
(третьей) системами шин. Они требуют большого количества
оборудования высокого напряжения. Однако они обладают
значительной эксплуатационной гибкостью (например,
ремонт одной системы без отключения линнй).
Рассмотрим схему понижающей подстанции с двумя
вторичными РУ различных напряжений (рис. 12,а).
Распределительное устройство напряжением 6 и 10 кВ питает
близко расположенные от подстанции потребители, а
напряжением 35 и 110 кВ — удаленные. Схема подстанции с
трехобмоточными трансформаторами (рис. 12,6) более
рациональна, так как при этом требуется меньшее количество
оборудования высокого напряжения и аппаратуры первичного
напряжения.
Со
стороны
вторичного
напряжения
устанавливают разъединители Р (на рис. 12,6 не показаны),
которые позволяют поочередно выключать с целью ремонта
выключатели В РУ 35 и ПО кВ, не отключая трансформаторы
Тр.
На подстанциях используют также трансформаторы с
расщепленными обмотками вторичного напряжения и
автотрансформаторы. Использование автотрансформаторов в
сетях 220/110/10 кВ позволяет экономить 15—25% меди,
50—60% активной стали, снизить потери электроэнергии на
30%. Применяют их там, где требуется глубокое
регулирование снимаемого напряжения.
Помимо масляных, используются трансформаторы 37
Рис 12. Однолинейная схема районной подстанции с двумя вторичными
напряжениями при двухобмоточных ( а ) и трехобмоточных ( б )
трансформаторах
сухие, с негорючим заполнителем (совтол, пироноль) и с
элегазовым заполнителем (шестифтористая сера). Они
невзрывоопасны
и
обладают
хорошими
электроизолирующими
свойствами.
Силовые
трансформаторы изготовляют для большого диапазона
мощностей на все значения напряжения, принятые в
стандарте.
7. Графики нагрузок электрических установок
Процесс выработки и потребления электроэнергии
является единым непрерывным. Электрические станции
вырабатывают столько энергии, сколько расходуют ее
потребители с учетом потерь во всех звеньях электрической
цепи.
39
Режим
работы
потребителей электроэнергии
изменяется в течение суток,
месяца, года. Соответственно
этому изменяются и нагрузки
электрических
станций,
подстанций
и
других Рис. 13. Суточный график
элементов
системы активных нагрузок
электроснабжения. Изменение
нагрузок в течение определенного промежутка времени
принято изображать в виде графиков. По оси абсцисс
откладывают время t в часах, а по оси ординат — нагрузку Р в
киловаттах или мегаваттах, соответствующую каждому
моменту времени (рис. 13). Площадь, ограниченная этой
ломаной кривой, в определенном масштабе равна количеству
электроэнергии, выработанной или потребленной установкой
в течение суток, WCyc. в киловатт-часах.
Графики нагрузок различают по длительности (суточные,
месячные, годовые), по сезону (весенние, летние, осенние,
зимние), по роду нагрузки (активная и реактивная). Графики
могут быть также проектные и исполнительные. При
эксплуатации суточные трафики строят по показаниям
измерительных приборов — счетчиков либо их можно
получить с помощью самопишущих приборов. Графики
нагрузок можно строить для электрической станции,
подстанции, потребителей и в целом для энергосистемы. У
различных установок они могут значительно отличаться по
характеру (рис. 14, а и б). Осветительная нагрузка жилых
домов (см. рис. 14, а) имеет резко выраженный максимум в
вечерние часы.
График летнего периода отличается от графика зимнего
периода значением и продолжительностью макси-
40
Врет суток ,ч
Рис. 14. Типовые суточные графики нагрузок коммунальных
ропотребнтелей зимой (сплошные линии) и летом (штриховая):
элект-
а — освещение жилых домов; б — городской электрифицированный транспорт; Р, % —
нагрузка в процентах от максимальной нагрузки потребителя мальиой нагрузки и
смещением максимума иа более поздние часы. Графики
промышленных предприятий различаются из-за неодинакового
числа рабочих смен и характера технологического процесса
производства. Зимний суточный график отражает наибольший
расход энергии за год.
Графики нагрузок тяговых подстанций железных дорог (см.
рис. 115) характеризуются значительной неравномерностью в
течение суток и повторяющимися пиками нагрузок, которые могут
превышать средние значения в 2—3 раза. Это объясняется
неравномерностью движения поездов и совпадением пусков
нескольких поездов иа участке питания. На участке с горным
профилем нагрузка подстанции может быть иногда отрицательной
вследствие применения рекуперативного торможения.
Помимо суточных графиков нагрузок, в практике используют
годовые графики суточных максимальных нагрузок н
распределения нагрузок по продолжитель-
41
пости. Пользуясь графиками нагрузок при эксплуатации и
проектировании, можно:
определить выработку или потребление электроэнергии за
соответствующий период времени, расход топлива на
тепловых станциях и воды на гидроэлектростанциях,
мощность электростанции или подстанции и число агрегатов
на них, потери энергии в ВЛ и трансформаторах;
установить время включения и отключения генераторов
на станциях и трансформаторов иа подстанциях с целью
соблюдения наивыгоднейшего режима их работы;
планировать время проведения ремонтов и осмотров
основного оборудования.
Графики нагрузок позволяют также определить
следующие величины, которые характеризуют работу
электроустановки при эксплуатации и необходимы при
проектировании:
среднесуточную и среднегодовую нагрузку Рср
(определяют делением выработанной установкой энергии за
сутки или год иа число часов в этот период);
коэффициент
нагрузки
к„
(характеризует
неравномерность режима работы электроустановки);
продолжительность
использования
максимальной
нагрузки Ттах>*
коэффициент использования установленной мощности кн
(характеризует степень использования агрегатов установки);
продолжительность использования установленной
МОЩНОСТИ Густ-
8. Электрические сети
Электрическими сетями называют части электрической
системы, состоящие из подстанций и линий различных
напряжений. Они предназначены для передачи
41
и распределения электроэнергии от мест ее выработки к местам
потребления. Линию, соединяющую повышающие и
понижающие подстанции, называют линией электропередачи.
Электрические сети могут отличаться друг от друга по
назначению, роду тока, напряжению, конфигурации и
конструктивному исполнению. По району обслуживания
различают местные и районные сети. Местными сетями
являются сети 'напряжением до 35 кВ включительно, питающие
потребителей в радиусе 15—35 км. Сети напряжением 35—220
кВ, которые связывают электростанции и районные подстанции
для параллельной работы, называют районными. Линии
электропередачи переменного и постоянного тока напряжением
220, 330,
500 кВ и выше, соединяющие отдель
ные энергосистемы, называют линиями межсистемной связи.
По назначению электрические сети подразделяют на
питающие и распределительные. Назначение первых —
передавать электроэнергию от электростанций или подстанций
в районы потребления, а вторых — распределять ее между
потребителями. По роду тока различают сети постоянного,
однофазного и трехфазного переменного тока; по напряжению
— сети до 1000 В и выше 1000 В.
Электрические сети могут быть разомкнутыми и
замкнутыми. Разомкнутой называют сеть, в которой
потребитель получает питание только с одной стороны,
замкнутой — ту, в которой потребитель получает питание не
менее чем с двух сторон. Различают наружные и внутренние
электрические сети.
Электрические сети выполняют неизолированными н
изолированными проводами, шинами и кабелями. Чаще
применяют воздушные линии электропередачи, так как они
дешевле кабельных. Однако кабельные линии электропередачи
более надежны в работе, безопасны для
населения и почти не требуют площадки для устройства.
Воздушные линии электропередачи (ВЛ) состоят из
проводов,
изоляторов,
линейной
арматуры,
опор,
43
фундаментов и защитных тросов.
П р о в о д а для воздушных линий электропередачи
используют неизолированные: медные, алюминиевые,
стальные, сталеалюмиииевые, бронзовые. Они должны
обладать
высокой
механической
прочностью
и
проводимостью, противостоять атмосферным воздействиям и
химическому воздействию находящихся в воздухе примесей
газов. Промышленность изготовляет одиопрово- лочные,
многопроволочные (свитые из одного и разных металлов) и
полые провода. Однопроволочные провода (рис. 15, а) имеют
небольшую площадь сечения, применяют их на ВЛ
напряжением до 20 кВ. Миогопрово- лочные провода (рис. 15,
б, в) свивают из 7, 12, 19 и 37 жил, они гибки и удобны при
монтаже. Их применяют при устройстве ВЛ любых
напряжений. Медные провода (марка М) обладают высокой
удельной электрической проводимостью 53-106 См/м [53
м/(Ом- •мм2)]. Их временное сопротивление на разрыв
а„=0,39 ГПа. Они не подвергаются коррозии на воз-
Рис. 15. Провода воздушных линий:
а — медный одиопроволочный; б — алюминиевый многопроволочный; в —
сталеалюминиевый многопроволочиый; г — полый
духе. Используют их редко, так как медь является дефицитным
металлом.
Алюминиевые провода (марка А) изготовляют только
многопроволочными с площадью сечения 16 мм2 и выше.
Удельная электрическая проводимость их ■у=32-10® См/м, т. е.
в 1,65 раз меньше, чем у медных, механическая прочность
44
невелика (ав=0,16 ГПа).
Применяют одиопроволочные стальные провода ПСО
диаметром 3; 3,5; 4 и 5 мм. Марки многопрово- лочных
проводов: ПС—стальной и ПМС — медиистый стальной с
присадкой меди 0,2—0,4% для создания противокоррозионной
стойкости. Стальные провода обладают малой электрической
проводимостью у=7,52-10® См/м и высокими механическими
свойствами (а«=0,70-^ 1,2 ГПа); подвергаются коррозии на
воздухе. Применяют их для устройства защитных тросов ВЛ.
Сталеалюминиевые провода (АС, АСУ, АСО) состоят из
стальной сердцевины и алюминиевых внешних повивов ( см.
рис. 15, в). Оии имеют большую механическую прочность и
достаточную
удельную
электрическую
проводимость.
Используют их на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. Диаметр этих
проводов больше, чем медных той же удельной электрической
проводимости, поэтому при сталеалюминиевых проводах
уменьшаются потери на коронироваиие.
Провода из бронзы (сплав меди с кадмием, сурьмой,
оловом) обладают высокой проводимостью у=(17-=- -^50)10®
См/м и высокой механической прочностью (aB=0,50-J-0,80
ГПа). Применяют их в ВЛ при пересечении рек, озер, оврагов,
если длина пролёта 500 м и более. На ВЛ 220 кВ и выше
используют полые провода (рис. 15, г). Они имеют большой
диаметр, что позволяет снизить потери энергии на корону.
На ВЛ 330 кВ и выше применяют так называемую
расщепленную фазу. Так, ВЛ 500 кВ с расщепленной фазой
представляет собой три миогопроволочных провода,
расположенных в вершинах равностороннего треугольника со
стороны 40 см, а их положение в пролете фиксируется
распорками. При этом снижаются реактивное сопротивление
(на 30%) и потери иа корону.
Изоляторы
воздушных линий электропередачи
предназначены для изоляции проводов от опор. Провода
подвешивают или укрепляют на штыревых, подвесных или
стержневых фарфоровых изоляторах (рис. 16). Они
испытывают большие механические нагрузки и должны
45
обладать высокими диэлектрическими свойствами. При
напряжениях В Л до 10 кВ применяют штыревые изоляторы,
при 20—35 кВ — штыревые и подвесные, а при ПО кВ и выше
— подвесные и стержневые. На ВЛ 20 кВ и выше используют
гирлянды из подвесных изоляторов. Количество изоляторов в
гирлянде зависит от напряжения ВЛ, типа опор (деревянные,
металлические) и типа изоляторов. Применяют изоляторы
ПФ6-А, ПФ6-Б, ПС6-А, ПС-11 и др. Например, для ВЛ ПО кВ
гирлянда состоит из шести-семи изоляторов ПФ6-А или ПС6-А.
Каждый изолятор имеет гарантированную прочность на разрыв.
Изолятор ПФ6-А выдерживает нагруз-
Рис. 16. Изоляторы воздушных ЛИНИЙ: а — тип ШЛН-1 для напряжения до I
кВ; б — тип ШФ-10В для напряжения; 6; 10 кВ; в — гирлянда подвесных изоляторов;
г — стержневой типа СП иа ПО кВ
ку 44 кН, разрушающая нагрузка для него 58 кН. Стержневой
изолятор легче и дешевле гирлянды изоляторов, но изготовлять
его сложнее (ем. параграф 22).
Стеклянные изоляторы ПС6-А, ПСИ и другие легче
фарфоровых н лучше противостоят ударным нагрузкам.
О п о р ы предназначены для поддержания проводов на
определенном расстоянии от земли, обеспечивающем
надежную работу ВЛ и безопасность людей. На опорах
подвешивают также заземленные тросы для защиты ВЛ от
атмосферных перенапряжений. По месту установки на трассе и
по назначению опоры разделяют на промежуточные, анкерные,
46
концевые и специальные (транспозиционные, переходные). По
числу цепей опоры бывают одноцепными и двухцепными.
Промежуточные опоры используют на прямых участках
линии. Анкерные опоры устанавливают через 3—5 км; они
воспринимают, помимо массы, полное натяжение проводов и
тросов. Их применяют также при пересечениях ВЛ с
железными дорогами и другими воздушными линиями. Опоры,
располагаемые в местах поворота трассы, называют угловыми.
Переходные опоры устанавливают при пересечении ВЛ
широких рек, ущелий, озер и других естественных препятствий.
Применяют опоры деревянные, металлические н
железобетонные. Деревянные опоры изготовляют из бревен
сосны и лиственницы. Древесину пропитывают масляными
антисептиками для предотвращения гниения. Срок службы
непропитанных опор 7—10 лет, пропитанных — 20—25 лет.
Металлические опоры изготовляют сварными нз угловой стали.
Для защиты стали от коррозии опору оцинковывают или
периодически окрашивают масляными красками. Срок службы
металлических опор 50 лет и более. Железобетонные опоры
позволяют экономить металл. Используют чаще всего опоры нз
центрифугированного бетона конические длиной 20—25 м.
Длина лролета между опорами зависит от площади сечения
проводов и напряжения:
Напряжение ВЛ, кВ 6; 10
35; 110
Средняя длина
пролета, м
150; 220 330; 500
50-100 125-250 250-350 350-450
Расположение проводов на опорах может быть следующее:
треугольником, вертикально, горизонтально, елкой, обратной
елкой и бочкообразно (рис. 17). Треугольником провода
располагают в сетях напряжением до 1000 В, ВЛ 20 и 35 кВ;
горизонтально — в гололедных районах, так как в этом случае
при сбрасывании льда с проводов исключается возможность их
схлестывания. При двухцепной ВЛ на одной опоре удобно
подвешивать провода обратной елкой.
При всех способах расположения, за исключением
47
треугольника,
провода
каждой
цепи
располагаются
несимметрично один по отношению к другому. Это приводит к
различию индуктивных сопротивлений отдельных фаз и
емкостей между ними. Падение напряжения в проводах
получается различным. Кроме того, увеличи-
Рис. 17. Расположение проводов на опоре: а — треугольником;
б — горизонтальное; в — обратная елка; г — бочкообразное
48
i __ з
г
iз
г
ГИ
7
“ ^
3У
а
ch
а
За
tb
а
а
'\\
_____ L.J
ч1
а
За
Рис. 18. Схема транспозиции проводов
вается влияние линий электропередачи на воздушные линии
связи. Для устранения этого влияния на ВЛ 35 кВ и выше
применяют транспозицию проводов (рис. 18), т. е. изменяют
взаимное расположение проводов фаз на опорах. Число
перестановок проводов на линии должно быть не менее трех.
Через каждые три участка а провода ВЛ занимают свое
первоначальное положение, т. е. завершается полный цикл
транспозиции — За. В зависимости от длины ВЛ может быть
один, два и более циклов транспозиции. Перестановку проводов
осуществляют на транспозиционных опорах.
Расстояние между проводами на линиях определяется
длиной пролета, климатическими условиями и напряжением
ВЛ. В случае горизонтального расположения проводов оно
равно в среднем 4 м при напряжении 110 кВ, 7 м при 220 кВ и 12
м при 500 кВ. Деревянные и железобетонные опоры
заделывают в грунт непосредственно, либо используя пасынки
(стулья), а металлические — с помощью железобетонных
фундаментов.
Кабельные линии прокладывают в земле, воде и на воздухе.
Кабелями называются проводники тока (токопроводящие
жилы), изолированные от земли и друг от друга бумажной,
пластмассовой или резиновой изоляцией, помещенные в
свинцовую, алюминиевую или поли- хлорвиниловую оболочку.
Кабели делят на силовые и контрольные; силовые применяют
для устройства линий электропередачи и в главной силовой
цепи электроустановок, контрольные — в цепях управления,
измерения,
защиты
и
сигнализации.
Для
линий
электропередачи используют силовые кабели сечением до 1000
49
мм2, имеющие от одной до четырех жил и рассчитанные на
напряжение до 35 кВ. Кабели для напряжений 110 кВ и выше
выполняют одножильными. Контрольные кабели имеют
площадь сечения от 1 до 10 мм2, число жил до 37; их
изготовляют на напряжение 500 В.
Конструкция кабеля обусловлена в основном напряжением.
Кабели на напряжение до 10 кВ (рис. 19) выпускают с медными
и алюминиевыми жилами /. Пространство между жилами
заполняют джутовыми наполнителями 3. Сечение жил может
быть круглым или иметь вид сегмента. Жилы кабеля имеют
изоляцию фаз 2, поверх нее наложена общая поясная изоляция 4
из бумаги, пропитанной маслом. Свинцовая оболочка 5
предотвращает высыхание изоляции и попадание влаги внутрь
кабеля. Для защиты от действия кислот и щелочей оболочку
покрывают кабельной бумагой 6 и прослойкой из джута 7.
Броня 8 кабеля выполнена из сталь ной ленты или проволоки и
защищена от химического воздействия почвы джутовой
пропитанной оплеткой 9. При прокладке кабеля в помещениях
из-за опасения пожара джутовый покров снимают.
Кабели на 20 и 35 кВ выполняют с круглыми отдельно
освинцованными жилами, что обеспечивает равномерное
распределение электрического поля и повышает электрическую
прочность кабеля. Кабели на напряжение 110 и 220 кВ
изготовляют одножильными маслона- полнениыми. Масло
заполняет поры и исключает возможность образования пустот в
изоляции кабеля, что могло бы привести к его пробою. При
вертикальных и наклонных прокладках в сетях 10—220 кВ
применяют газонаполненные кабели. Применение обычных
кабелей
50
привело бы к стенанию пропиточной массы и ослаблению
изоляции в верхней части кабеля.
Все кабели маркируют, указывают тип, конструкцию, число
и площадь сечеиия жил кабеля. Кабели с алюминиевыми
жилами имеют обозначение АСГ и ААГ Первая буква
обозначает материал жил (А — алюминий), вторая — материал
оболочки (С — свинец), буква Г — голый. Кабели с броней в
виде стальных лент имеют в марке букву Б, а с броней из
проволоки — СП или СК (стальные плоские или круглые). В
кабелях с медными жилами материал в марке не ставится.
Контрольным кабелям соответствует в марке буква К,
резиновой изоляции — буква Р. Например, марка СБ-ЗХ120
означает освинцованный, бронированный двумя стальными
лентами,
медный,
Рис. 20. Расположение кабелей
в траншее
трехжильный,
сечения каж-
площадь
Рис. 19. Трехжильный
бронированный кабель с бумажной изоляцией на напряжение до 10 кВ
51
дой жилы 120 мм2; ААБГ — алюминиевый с алюминиевой
оболочкой, бронированный, голый.
Присоединение кабеля к аппаратам н оборудованию, а
также соединение одного кабеля с другим осуществляются с
помощью специальных кабельных соответственно концевых и
соединительных муфт. Муфты бывают стальными, чугунными,
свинцовыми и из эпоксидно го компаунда. На концах кабеля
при напряжениях до 10 кВ, а в некоторых случаях и до 35 кВ
применяют сухие разделки (только в помещениях).
В земле кабель обычно прокладывают в траншее (рис. 20)
на глубине 0,7—0,8 м. Для лучшего охлаждения кабели S
располагают на некотором расстоянии друг от друга. Поверх
кабелей укладывают кирпичи I или бетонные плиты для защиты
от механических пов реждений при возможном производстве
земляных работ. Кабели укладывают в песок 2.
При
усовершенствованных
дорожных
покрытиях
(бетонных, асфальтированных) кабели прокладывают в
асбоцементных, гончарных трубах или железобетонных
блоках. При этом обеспечивается хорошая защита кабеля от
повреждений и возможность легко и просто заменить его
другим без вскрытия мостовой. Недостаток такого способа —
плохое охлаждение кабеля и высокая стоимость работ по его
прокладке. При большом числе кабелей их прокладывают в
тоннелях, что обеспе чивает удобства для осмотра н ремонта
кабелей и возможность прокладывать новые кабели без
дополнительных затрат.
При проектировании электрических сетей выполняют
необходимые экономические, электрические и меха нические
расчеты, к числу которых относят выбор экономически
целесообразных сечеиий проводов и кабелей линий
электропередачи и напряжения сети; проверку проводов ВЛ и
кабелей на потерю и отклонения напряжения, от которых
зависят нормальные условия работы потребителей; проверку
проводов ВЛ на коронирование, кабелей — на нагрев токами к.
з., механический расчет проводов ВЛ, опор и их закрепления в
грунте.
52
9. Энергосистемы
Энергетической
системой
называют
объединение
нескольких электростанций, электрических и тепловых сетей с
целью совместной непрерывной выработки и распределения
между потребителями электрической и тепловой энергии. Часть
системы, состоящую из генераторов электростанций и их РУ,
подстанций,
линий
электропередачи
и
приемников
электроэнергии, называют электрической системой (рис. 21).
При объединении электрических станций для работы на
общую сеть повышается надежность электроснабжения
потребителей и обеспечивается их бесперебойное питание. В
энергосистеме уменьшается число резервных агрегатов по
сравнению с количеством их при изолированно работающих
станциях, достигается более экономичная выработка
электроэнергии,
хорошо
используются
оборудование
электростанций и энергетические ресурсы данного района
(топливо, вода на ГЭС).
В первую очередь в системе используют те электрические
станции, которые оборудованы совершенными агрегатами и
работают с наибольшим к. п. д. на местном дешевом топливе, и
гидростанции. Каждая электростанция вырабатывает заданную
ей часть нагрузки энергосистемы. Прежде всего загружают
ТЭЦ, чтобы обеспечить потребителей тепловой энергией, а
затем КЭС и ГЭС. Эти электростанции называют базисными,
они обеспечивают основную нагрузку энергосистемы.
Местные электростанции, включенные в систему, являются
пиковыми станциями, т. е. вырабатывают электроэнергию в
часы максимальных нагрузок.
53
w-гвлв пч IWKB
Рис. 21. Принципиальная схема электрической части энергосистемы
В СССР имеется 95 энергосистем, многие из которых
вошли в состав крупных объединенных энергосистем,
охватывающих всю страну — энергосистемы Северо-Запада,
Центра, Средней Волги, Урала, Юга, Северного Кавказа,
Закавказья, Сибири, Казахстана, Средней Азии и Дальнего
Востока, На базе семи первых в 1969 г. создана Единая
энергетическая система (ЁЭС) европейской части СССР с
установленной мощностью’ 160 млн. кВт. Установленная
мощность электростанций страны к началу 1983 г. превысила
280 млн. кВт. Единая энергетическая система европейской
части СССР имеет электрические связи с Финляндией,
Норвегией, Турцией, Австрией и объединенной системой
«Мир», в которую входят энергосистемы стран Совета
Экономической Взаимопомощи: ПНР, ЧССР, ГДР, ВНР, СРР и
НРБ. В ближайшие годы линии электропередачи переменного
тока напряжением 1150 кВ и постоянного- тока 1500 кВ
соединят объединенные системы Сибири,.
54
Средней Азин и Дальнего Востока с ЕЭС европейской части и
будет создана ЕЭС СССР Это позволит экономить до 25 млн.
кВт дополнительных мощностей за счет разницы периодов
времени и графиков нагрузок в разных энергосистемах, а также
энергоресурсов страны.
Воздушные линии электропередачи постоянного тока
имеют преимущества по сравнению с ВЛ переменного тока:
более простая конструкция и меньшая стоимость, меньшие
потери энергии в линии и отсутствие индуктивных потерь
напряжения, увеличение почти в 1,5 раза передаваемой
мощности при одинаковых уровнях изоляции и затратах
цветного металла линии, бесперебойная передача энергии в
случае обрыва или вывода в ремонт второго полюса. Однако
применение ВЛ постоянного тока удорожает устройство
подстанций, так как иа иих приходится устанавливать
преобразователи.
10. Заземление нейтрали в трехфазных системах
При проектировании и эксплуатации электрических
установок учитывают не только условия нормального рабочего
режима, но и возможность появления нестационарных режимов
работы. Наиболее опасным для электрической установки
является короткое замыкание. При изучении режимов
короткого замыкания различают системы с изолированной и
заземленной нейтралью.
В трехфазной сети с изолированной нейтралью (рис. 22, а)
каждая фаза обладает относительно земли некоторой емкостью,
равномерно распределенной по длине провода (на рис. 22, а эта
емкость условно заменена сосредоточенными емкостями). В
нормальном режиме работы по проводам протекают
одинаковые то- •ки, получившие название зарядных.
Геометрическая сумма зарядных токов всех трех фаз равна
нулю и ток в земле не протекает. Напряжения фаз сети
относительно земли симметричны.
55
Рис. 22. Трехфазная сеть с изолированной ( а ) и глухозаземлепной ( б )
нейтралями ( З Н — заземляющий электрод)
ния иа землю, который в уз раз больше емкостного тока
неповрежденных фаз А к В или в 3 раза больше нормального
зарядного тока фазы. Ток /с зависит от напряжения и длины
линии
'е
Ц { 1 в + 351 к )
350
где U — междуфазное напряжение, кВ;
/в. /к — длина электрически связанных воздушных и кабельных линий
данного напряжения, км.
(2)
При нарушении изоляции и замыкании на землю»
например фазы С, напряжение ее относительно земли будет
равно нулю, а напряжение неповрежденных фаз- (по
отношению к земле) увеличится в уз раз и станет- равным
междуфазному напряжению установки^ Емкостные токи 1С фаз
А к В также увеличатся в УЗ раз» Сумма токов фаз уже ие будет
равна нулю и в земле через место соединения потечет
емкостный ток замыка
В сетях с изолированной нейтралью при соединении одной
фазы с землей токи замыкания на землю h—I,~ оказываются
небольшими и иет необходимости мгновенно отключать
линию, так как напряжение между фазами остается
неизменным и сдвинутым по фазе на угол 120°. Защита в таких
установках действует на сигнал, по которому персонал должен
обнаружить ме-
56
■сто однофазного замыкания и устранить его. Работа при таком
режиме допускается в течение 2 ч, после чего линия должна
быть отключена.
Более длительная работа недопустима, так как при
нарушении изоляции другой фазы относительно земли
возникает двухфазное короткое замыкание через землю, что
может привести к тяжелой аварии. Особенно опасно
однофазное замыкание на землю через электрическую дугу,
которая
периодически
гаснет
и
зажигается
вновь
(перемежающаяся дуга). Такая дуга может стать источником
перенапряжений фаз относительно земли. Перенапряжения в
2,5—3,5 раза выше фазных напря- .жеиий, в результате чего
возможны пробои изоляции и короткие замыкания в сети.
В СССР с изолированными нейтралями работают
установки напряжением до 660 В (кроме установок 220/127,
380/220 В), сети 6 и 10 кВ с током замыкания .соответственно
30 и 20А, сети 35 кВ с током не более 10 А. Для устранения
перемежающихся
дуг
искусственно
уменьшают
ток
однофазного замыкания до значения, при котором дуга не
может поддерживаться. Достигается это заземлением нейтрали
через дугогасящие катушки.
При глухом заземлении нейтрали (рис. 22, б) замыкание
одной фазы, например С, на землю приводит к однофазному
короткому замыканию, появлению в сети большого тока к.з.,
который вызывает срабатывание .защиты и отключение
поврежденного участка сети. Для уменьшения тока
однофазного к. з. заземляют нейтрали у части трансформаторов
в системе. Однако при этом отключается поврежденная часть
сети и прерывается электроснабжение потребителей. Для
повышения надежности электроснабжения в сетях с
глухозаземлен- ными нейтралями широко применяют
автоматическое повторное включение (АПВ) линии и
сооружают резервные линии электропередачи. В СССР с
глухозазем- .леннымн нейтралями работают сети 110, 220 кВ и
выше.
57
Глава вторая
ТЯГОВЫЕ ПОДСТАНЦИИ
11. Классификация тяговых подстанций и схемы
первичной коммутации
На электрифицированных железных дорогах СССР
сооружают
тяговые
подстанции
постоянного
тока
напряжением 3300 В и однофазного переменного тока
промышленной частоты напряжением 27,5 кВ на сторонетягового тока.
Подстанции могут быть опорными, промежуточными и
тупиковыми. По конструктивному выполнению подстанции
делят на стационарные и передвижные. Передвижные
монтируют на железнодорожных платформах и в крытых
вагонах и используют при капитальном ремонте агрегатов
стационарных подстанций или для усиления их мощности. В
зависимости от размещения оборудования подстанции бывают
закрытые, открытые,, смешанные. По способу управления
различают
подстанции
с
ручным
управлением,
автоматические, телеуправляемые. Последними .управляет
диспетчер средствами- телемеханики.
Схема первичной коммутации зависит от типа подстанции,
первичного напряжения, наличия и ответственности районной
нагрузки. Рассмотрим схему опорной подстанции постоянного
тока с двумя системами шин 110 кВ н одинарной
секционированной системой шин 10 кВ районной нагрузки
(рнс. 23). Питание подстанции осуществляется двухцепнымн
ВЛ напряжением 110 кВ. К шннам каждую ВЛ подключают
линейными / и шинными 5 разъединителями и выключателем
3. Разъединители 1 и 5 служат для. снятия напряжения и
создания- видимого разрыва электрической цепи после ее
отключения выключателем 3.
58
Рис. 23. Однолинейная схема тяговой подстанции постоянного тока
58
Выключатель 3 предназначен для разрыва цепи под
нагрузкой и автоматического отключения этой цепи при.
перегрузках и коротких замыканиях. Он отключает, цепь при
срабатывании релейной защиты, получающей питание от
трансформаторов тока 2, специально установленных или
встроенных в выключатель. Выключатели могут быть
масляными, воздушными и газовыми.. Шиносоедииительный
выключатель 4 и двойная система шин обеспечивают высокую
надежность работы РУ 110 кВ.
К шинам 110 кВ через разъединители. 7 и выключатель 10
присоединен преобразовательный агрегат, состоящий из
тягового трансформатора 12 и полупроводникового
выпрямителя 15. Вывод положительной полярности
выпрямителя
присоединен
к
главной
шине
ГШ
распределительного устройства — 3,3 кВ выпрямленного тока
через быстродействующий (БВ) выключатель 18 и
разъединитель 21. Нулевая точка трансформатора подключена
разъединителем 22 к минусовой шине РУ.
Контактная сеть получает питание по фидерам Ф1, Ф2, ФЗ
через разъединители 27, быстродействующие выключатели 28.
Минусовая шина РУ (шина отрицательной полярности) через
реактор 23 соединена с ходовыми рельсами отсасывающей
линией 31. Быстродействующие выключатели 18 и 28 служат
для включения и отключения цепей постоянного тока под
нагрузкой и обеспечивают автоматическое отключение их при
перегрузках и коротких замыканиях. Однополюсные
разъединители 21 и 27 предназначены для создания видимого
разрыва цепи и снятия напряжения с токоведущих частей после
отключения БВ.
Распределительное
устройство
3,3
кВ
имеет
вспомогательную шину ( В Ш ) , соединенную с главной
плюсовой шиной (шиной положительной полярности) Г111
разъединителями 24 и выключателем 29, называемым
запасным. Последний может заменить любой из выключателей
28 в случае его повреждения или ремонта. Для этого включают
разъединители 26, 24 и выключатель 29, а 28 отключают.
Применение вспомогательной шины и запасного выключателя
60
обеспечивает высокую надежность работы РУ 3,3 кВ.
Плюсовая ГШ и вспомогательная ВШ шины разделяются на
три секции двумя разъединителями каждая. Нормально все
секции работают параллельно. При ревизиях и ремонтах может
отключаться любая крайняя секция. Ревизия средней секции
выполняется только при отключении всего РУ 3,3 кВ.
К шинам постоянного тока присоединяют сглаживающее
устройство 19, предназначенное для сглаживания пульсаций
выпрямленного
тока.
Пульсирующая
переменная
составляющая выпрямленною напряжения в проводах
контактной сети наводит помехи в линиях связи,
расположенных
вдоль
железной
дороги,
ухудшает
коммутацию тяговых двигателей электроподвижного состава и
увеличивает их нагрев. Переменная составляющая может быть
разложена на ряд высших гармонических с частотами 300, 600,
900, 1200 и 1500 Гц, которые оказывают наибольшее влияние
на линии связи и воспринимаются органами слуха.
Сглаживающее устройство состоит из пяти контуров,
включаемых в цепи после главного реактора параллельно
тяговой сети. Четыре контура состоят из конденсаторов и
реакторов (фильтров) и настроены в резонанс соответственно
на частоты 300, 600, 900 и 1200 Гц, пятый имеет только
конденсатор. Индуктивность н емкость каждого контура
подобраны таким образом, что сопротивление его для тока
данной частоты очень мало. Поэтому переменный ток данной
частоты замыкается в этом контуре сглаживающего устройства
и не выходит за пределы подстанции. Ток через резонансные
контуры
ограничивается
реактором
23,
имеющим
индуктивность
6,5 мГн и небольшое сопротивление постоянному току.
Для разряда конденсаторов после отключения сглаживающего
устройства 19 используют резистор Rp, цепь на который
создается разъединителем Р. Фильтры сглаживающего
устройства могут быть однозвеиными н двухзвенными.
Однозвениые снижают помехи в 25 раз. Коэффициент
61
сглаживания фильтров двухзвенных выше, чем однозвенных.
Районные трансформаторы 14 понижают напряжение со
ПО до 10 кВ. К шинам 10 кВ через разъединители 32 и 34 и
выключатель 33 подключены ВЛ, питающие районные
потребители. К этим же шинам подключены два
трансформатора собственных нужд ТСИ мощностью по
100—400 кВ-A каждый: один рабочий, второй резервный.
Трансформаторы соединены с шинами собственных нужд
напряжением 230/133 или 400/230 В, от которых получают
питание цепи освещения, отопления, защиты, автоматики,
телемеханики
и
вспомогательные
устройства
преобразовательных агрегатов.
На подстанции устанавливают независимый источник
напряжения — аккумуляторную батарею для питания
оперативных цепей защиты и сигнализации, держащих
катушек БВ в РУ 3,3 кВ и аварийного освещения подстанции.
К шинам ПО кВ через разъединители подключены
трансформаторы напряжения 11, к которым подключают
приборы для измерения напряжения на стороне ПО кВ,
питания цепей защиты и учета энергии, а также разрядники 8,
необходимые для защиты оборудования подстанции от
атмосферных перенапряжений.
Нагрузку подстанции по ВЛ ПО кВ измеряют
амперметром, включаемым через трансформатор тока 2.
Общий ток подстанции замеряют амперметром в цепи
отсасывающей линии 31. Амперметр 16 показывает нагрузку
агрегата, а амперметр 30 — нагрузку питающего фидера.
Напряжение иа стороне 110 кВ измеряют вольтметром 9, а иа
стороне постоянного тока — вольтметром 17 В цепи
выключателя 29 установлен амперметр 25, а в цепи
фильтрустройства 19 — предохранитель 20. Для защиты
агрегата от коммутационных перенапряжений между анодами
выпрямителя
и
нулевой
точкой
трансформатора
устанавливают разрядники 13.
• Рассмотрим однолинейную схему промежуточной тяговой
62
подстанции переменного тока (рис. 24). Трансформаторы ТМ1
и ТМ2 присоединены к различным воздушным линиям ПО кВ
ВЛ1 и ВЛ2 через разъединители 1 и быстродействующие
отделители 2 и 3. Перемычка между вводами с разъединителем
4 и отделителем 5 предназначена для питания обоих
трансформаторов от одной ВЛ. Нормально разъединитель 4
включен, а отделитель 5 отключен. К каждому вводу через
разъединители подключают комплекты разрядников 6. Между
отделителями 3 и трансформатором к одной из фаз
присоединяют короткозамыкатель 7.
Трансформаторы
ТМ1
и
ТМ2
трехобмоточные,
предназначены для питания тяговой и районной нагрузки.
Одна вторичная обмотка, соединенная в звезду, питает ОРУ
38,5 кВ; другая, соединенная в треугольник, — двухфазное
ОРУ 27,5 кВ тягового тока. Фазы обмотки тягового тока через
трехполюсный разъединитель в и масляный выключатель 10
присоединяют одну наглухо к рельсам подъездного пути,
соединенного с контуром заземления и воздушной
отсасывающей линией с ходовыми рельсами главного пути, а
две другие через разъединители 11 к шииам ОРУ 27,5 кВ. К
этим шинам подключают фидеры контактной сети Ф1, Ф2, ФЗ,
Ф4 и иетяговых потребителей ДПР, трансформаторы
напряжения и собственных нужд, устройства компенсации
реактивной мощности. Имеется запасная шина 33, на которую
с помощью запасного выключателя 17 можно подавать
напряжение от любой из рабочих фаз.
63
Сборные шины ОРУ 27,5 кВ а и Ъ секционированы
разъединителем Р. Он нормально включен н отключается при
выведении одной секции в ремонт.
Питающие
линии
(фидеры)
контактной
сети
присоединены к определенной фазе в соответствии с принятой
для данной подстанции схемой фазировки. На каждый фидер
устанавливают шинный 12 и линейный 14 разъединители и
масляный выключатель 13. К фидерам присоединяют
обходной разъединитель 15 и разрядник 16. Запасной
выключатель 17 предназначен для замены выключателя
любого фидера контактной сети. Для перехода на него
необходимо включить разъединители 18 и 19, выключатель 17
и обходной разъединитель 15. Выключатель 13 отключается.
Фидеры ДПР оборудованы шинными разъединителями 20,
линейными 22 и масляными выключателями 21.
Для измерения напряжения, питания релейной защиты и
обмоток счетчиков к шииам РУ 27,5 кВ через разъединители
23, добавочные резисторы 24 и предохранители 25
подключены однофазные трансформаторы напряжения 26 с
коэффициентом трансформации 27,5/0,1. Концы первичных
обмоток этих трансформаторов присоединяют к контуру
заземления подстанции. Через эти же разъединители к шинам
РУ 27,5 кВ подключены разрядники. К шинам 27,5 кВ через
разъединители 27 и выключатель 28 присоединяют два
трансформатора собственных нужд ТСН1 н ТСН2 мощностью
каждый 250—400 кВ-А. Третью фазу ТСН после выключателя
28 присоединяют к контуру заземления тяговой подстанции.
От вторичной обмотки ТСН 1 и ТСН2 получают питание шины
собственных нужд 230/133 или 400/230 В.
С целью повышения коэффициента мощности (до 0,93) на
подстанциях или на постах секционирования устанавливают
компенсирующие устройства. Онн
состоят из батареи статических конденсаторов 29 и
реактора 30, подключенных через разъединители 31 и
выключатель 32 к шииам РУ 27,5 кВ и рельсу подъездного
66
пути (установка поперечной компенсации реактивной
мощности).
Реактор
служит
для
предотвращения
возникновения резонансных явлений, так как емкость
конденсаторов н индуктивность контактной сети и
трансформаторов образуют колебательный контур.
Для питания районных потребителей на подстанции
имеется РУ 38,5 кВ с одинарной секционированной системой
шин. Отходящие ВЛ 35 кВ и трансформаторы напряжения
оборудованы соответствующей коммутационной аппаратурой,
указанной на схеме. На подстанциях устанавливают
трансформаторы для питания цепей СЦБ.
12. Преобразовательные агрегаты тяговых подстанций
На подстанциях дорог постоянного тока используют
преобразовательные
установки,
собранные
из
полупроводниковых вентилей с преобразовательными
трансформаторами, а на подстанциях дорог переменного тока
— однофазные, трехфазные и специальные трансформаторы.
Преобразователи с кремниевыми вентилями на дорогах
постоянного тока (рис. 25) начали применять с 1965 г. взамен
ртутных. Они обладают высоким к. п.д. (98—99%), просты по
конструкции, имеют меньшие потери энергии, позволяют на
60—70% уменьшить площадь закрытой части подстанции и
повысить надежность питания тяговой сети.
Преобразователь состоит из комплекта вентилей,
размещенных в шкафах, системы охлаждения, аппаратов
управления, защиты, сигнализации и контроля, устройств
питания собственных нужд и выравнивания тока и напряжения
между вентилями и измерительных приборов.
3-5128
67
Рис. 25. Неуправляемый диод (а) и
управляемый (тиристор) (б) кремниевые
вентили; общий вид тиристора с радиатором
охлаждения (в):
I — наконечник: 2 — гибкий вывод; 3 —
армнровочная втулка; 4 — переходная втулка ввода;
5 — стеклянный изолятор; б — корпус; 7 —
кремниевый элемент; 8 — основание корпуса; 9 —
вывод управляющего электрода.
10 — охладитель
На подстанциях эксплуатируют преобразователи с
принудительным воздушным охлаждением УВКЭ-1 и ПВЭ-3, с
принудительным воздушно-масляным охлаждением ВКМБ-1,
с естественным воздушным охлажде-. нием ПВЭ-5, БВКЕ-1,
ПВКЁ-2 и ПВКЕ-3. На дорогах, где применяется
рекуперативное торможение, устанавливают инверторные и
выпрямительно-инверторные
преобразователи
ВИПЭ.
Применяют также преобразователи с автоматическим
регулированием выпрямленного напряжения и естественным
воздушным охлаждением ПВЭР. Мощность преобразователей
УКВЭ-1, ПВЭ-3, ПВЭ 5, БВКМ-1 и ПВКЕ-2 составляет 9900
кВт, а выпрямительно-инверторных ВИПЭ и ПВЭР — 8000—
68
10 000 кВт.
3-5128
69
Преобразовательные агрегаты собирают как по нулевой
схеме — две обратные звезды с уравнительным реактором, так
и по трехфазной мостовой. Рассмотрим преобразователь
ПВЭ-3, собранный по схеме две обратные звезды с
уравнительным реактором (рис. 26), который может работать с
трансформаторами ТМРУ- 16000/10, ТМПУ-16000/10Ж и др.
Преобразователь ПВЭ-3 имеет следующие технические
данные: UH=3,3 кВ;, Umtx=4,0 кВ; /н=3000 А; допустимая
перегрузка в течение 15 мин 1 раз в 2 ч — 25% /и; в течение 2
мин 1 раз в 1 ч — 50% /и и в течение 10 с 1 раз в течение 2 мин
— 100 % /и.
Преобразователь ПВЭ-3 состоит из шести вентильных
групп—фаз. Каждая фаза содержит 90 лавинных вентилей
ВЛ200-8: пять параллельных цепей по 18 вентилей
последовательно. Число параллельных ветвей определяется
максимальным током выпрямителя и током к. з. (с учетом
времени отключения защитой), а число последовательно
соединенных вентилей — повторяющимся напряжением в
ветви с учетом колебания напряжения в питающей сети.
Резисторы Rm служат для выравнивания напряжения между
последовательно соединенными вентилями, а резисторы связи
Rc — для уменьшения тока небаланса между вентилями.
Резисторы /?ш и Rc равномерно распределяют напряжение
между параллельно включенными вентилями и обеспечивают
работу сигнализации при пробое одного или нескольких из
них. О пробое вентиля сигнализирует лампа Л.
Защита от перенапряжений осуществляется разрядниками
и контурами RC. Разрядники подключают между анодными
шинами и нулевым выводом трансформатора, а концы RC — к
выводам противофазных вентильных обмоток.
Конструктивно преобразователь ПВЭ-3 выполнен в двух
шкафах с двустворчатыми дверями и застекленными окнами
для возможности осмотра сигнальных 3*
67
ггптт
Рис. 26. Электрическая схема полупроводникового преобразователя
ПВЭ-3:
КП — контактный провод; Р — рельс
ламп (рис. 27). Шкафы устанавливают на воздуховод системы
охлаждения выпрямителя, мощность двигателя вентилятора 2,2
кВт. Расход энергии на собственные нужды составляет около 25
тыс. кВт-ч в год, что в 6 раз меньше, чем у первых
преобразователей УВКЭ-1 равной мощности.
71
Рис. 27. Преобразователь ПВЭ-3:
J — ввод; 2 — дверь; 3 — блок вентилей; 4 —
переходные шины; 5 — окно для подключения
вентилятора; 6 — общий воздуховод; 7 — основание
шкафа; 8 — вывод
Преобразователь ПВЭ-5 состоит из шести шкафов,
предназначен для установки иа открытом воздухе и не требует
принудительной вентиляции. Аналогичные конструкции имеют
преобразователи ПВКЕ-2, ПВКЕ-3.
Преобразователь ПВЭ-5 имеет 420 вентилей. Такие
преобразователи устанавливают на открытой части тяговой.
подстанции, оии бесшумны в работе, ие требуют расхода
электроэнергии на собственные иужды, просты и удобны в
72
обслуживании и более надежны в работе.
73
дв у
Преобраз
ователи с масляным ВКМБ и
воздушно-масляным
охлаждением
ВКМВ конструктивно сложнее, а
наличие трансформаторного масла
удорожает эксплуатацию. Применяют
их в тех случаях, когда другие
преобразователи
использовать
Рис. 28. Трехфазная
невозможно
по
условиям
мостовая схема
загрязненности атмосферы.
выпрямительного
агрегата
Преобразовательный
агрегат,
собранный по трехфазной мостовой
схеме (рис. 28), имеет более простой, чем у преобразователя
ПВЭ-3 с нулевой схемой, трансформатор ТДП-12500/10Ж
(отсутствует уравнительный реактор и утроитель частоты).
Общее число вентилей в агрегате такое же, как и в выпрямителе
равной мощности, собранном по нулевой схеме.
Необходимость в инверторных агрегатах возникает при
применении
рекуперативного
торможения.
Энергия
рекуперирующего электровоза может потребляться другими
электровозами, работающими в тяговом режиме, а избыток ее
можно превращать в тепловую энергию или передавать в
первичную питающую сеть переменного тока. Для приема
избыточной энергии устанавливают поглощающие резисторы, а
для
преобразования
в
переменный
ток
—
выпрямительно-ииверторные агрегаты. Чтобы перевести
выпрямительный агрегат в инверторный режим, необходимо
изменить его полярность, т. е. катод присоединить к рельсу, а
среднюю точку трансформатора — к контактной сети, так как
при рекуперации направление тока на подстанции изменяется
на обратное по сравнению с направлением его в режиме
выпрямления.
74
Использование тиристоров позволяет осуществлять
бесконтактное переключение обмоток трансформатора и групп
тиристоров при переходе агрегата из одного режима в другой.
На стороне постоянного тока переключение производится
быстродействующими выключателями, которые одновременно
являются и защитой от токов к. з. Переход такого агрегата из
режима
выпрямления
в
инверторный
и
наоборот
осуществляется автоматически.
Рассмотрим выпрямительно-инверторный агрегат ВИПЭ-1
на тиристорах (рис. 29). Он подключен к трансформатору
ТДПУ-20000/ЮИ, обмотки которого соединены по схеме
звезда — две обратные звезды с уравнительным реактором. В
преобразователе применены лавинные тиристоры ТЛ2-150-6,
которые смонтированы в шести шкафах — фазах, в каждом по
шесть параллельных ветвей, фаза содержит девять
последовательно соединенных тиристоров в инверторной
группе Т„, шесть — в выпрямительной Тв и 15 — в общей
группе Т0. Для инвертора необходимо иметь большие фазные
напряжения, чем для выпрямителя, поэтому используют
дополнительные выводы вторичной обмотки трансформатора.
Переключение из выпрямительного режима в инверторный
происходит при снижении нагрузки и повышении напряжения
на шинах постоянного тока относительно напряжения
переменного тока. Вследствие частых переключений из одного
режима в другой (в сутки 50—70 раз) эти агрегаты наиболее
подвержены воздействию перенапряжений. Защита от них
осуществляется, как и для агрегата ПВЭ-3 (см. рис. 26).
Преобразователь
ВИПЭ-1
имеет
принудительное
воздушное охлаждение. Технические данные преобразователя:
LJK=3,3 кВ; //тах=4,0 кВ; /„=2000 А. Допустимая перегрузка в
течение 15 мин 3600 А. На подстанциях устанавливают также
преобразователи
75
Рис. 29. Принципиальная схема
выпрямительно-инверторного агрегата ВИПЭ-1 на
тиристорах:
/ и 2 — сглаживающие реакторы; 3 — реактор инвертора; 4 и 5 — БВ
соответственно выпрямительного н инверторного режимов
ВИПЭ-2, имеющие более высокую надежность, эконо* мичные
и удобные в эксплуатации.
Для регулирования напряжения и его стабилизации
используется преобразователь ПВЭР, обеспечивающий
бесконтактное регулирование выпрямленного напряжения в
пределах 3200—3800 В при изменении тока нагрузки до 3000 А.
Преобразователь ПВЭР включает в себя два преобразователя:
на неуправляемых и управляемых вентилях (рис. 30).
Преобразователь 3 на неуправляемых вентилях со схемой
76
соединения звезда —
77
две
обратные
звезды
с
уравнительным
реактором
подключен к трансформатору 1,
а
преобразователь
4
на
7\ S
тиристорах
соединен
по
трехфазной мостовой схеме и
.
L_
подключен к трансформатору 2.
Изменением
угла Рис. 30. Принципиальная схема
ПВЭР с
регулирования преобразователя агрегата
регулированием
на
тиристорах
система выпрямленного напряжения:
t к 2 — трансформаторы; 3 —
автоматического
преобразователь иа неуправляемых
регулирования
обеспечивает вентилях; 4 — то же на тирнсто* рах;
— помехозащитные реакторы; 6 —
заданное
напряжение 5реактор
для уменьшения влияния па
линии связи
выпрямленного тока.
Совершенствование
преобразовательных агрегатов
осуществляется использованием неуправляемых вентилей на
токи 250—300 А и £/обр=2000-г-3000 В и тиристоров на
200—250 А с напряжением переключения 2500 В и выше,
переходом на естественное воздушное
охлаждение, использованием экономичных трансформаторов и
трехфазных мостовых схем. Применение в преобразователях
вентилей более высокого класса позволяет уменьшить их
количество и габариты преобразователя.
Трансформаторы
преобразовательных
агрегатов
предназначены
для
питания
выпрямительных
и
выпрямительно-инверторных агрегатов. Они имеют мощность
от 1850 до 12 750 кВ-А, напряжение первичной обмотки 6, 10,
35, ПО кВ. По конструкции'эти трансформаторы отличаются от
промышленных схемой соединения обмоток, размещением и
креплением их на сердечниках, а
78
некоторые
еще
наличием
уравнительного
реактора.
Трансформаторы имеют масляное охлаждение, на каждом
сердечнике их размещены одна первичная и две вторичные
обмотки (снаружи).
Обозначения типов трансформаторов расшифровываются
следующим образом. Например, ТМПУ 16000/ /10Ж; Т —
трехфазный, М — с естественным масляным охлаждением, П
— для полупроводниковых преобразователей, У — с
уравнительным реактором, типовая мощность 16 000 кВ-А,
напряжение первичной обмотки 10 кВ, Ж — для
электрифицированного
железнодорожного
транспорта.
Типовая мощность представляет собой мощность обычного
трансформатора (двухобмоточного), магнитопровод которого
использован для тягового трансформатора. Номинальная
мощность ТМПУ-16000/10Ж составляет 11 840 кВ-А.
Трансформаторы подстанций дорог однофазного тока
применяют различных типов с различными схемами
соединения обмоток и разным числом их. Выбор типа
трансформатора определяется условиями первичного и
тягового электроснабжения, наличием и мощностью районной
нагрузки. На железных дорогах СССР используют в основном
трехфазные трехобмоточные трансформаторы, включаемые по
схеме звезда — звезда — треугольник, типа ТДТНЖ
(трехфазный, масляный, с принудительным охлаждением —
дутьем, трехобмоточный, с регулированием напряжения под
нагрузкой, для железнодорожного транспорта) мощностью 25,
32, 40 MB-А. Первичное напряжение 110, 150, 220 кВ,
вторичное на электрическую тягу 27,5 кВ для районных
потребителей 38,5 или 11 кВ.
Для питания только тяговой нагрузки предназначаются
трехфазные двухобмоточные трансформаторы ТДГ и ТДНГ
со схемой соединения обмоток звезда — треугольник такой
же мощности, как и трехобмоточные. Соединение тяговой
обмотки треугольником более целе-
79
сообразно, так как при этом достигается лучшее использование
меди обмоток и более пологая внешняя характеристика.
Трансформаторы позволяют регулировать напряжение иод
нагрузкой на первичной обмотке в пределах ± (Юн-16) %
изменением числа витков обмотки.
При однофазной тяговой нагрузке неизбежна иесимметрия нагрузок фаз питающей трехфазиой системы,
вследствие чего и напряжение на шинах потребителей
трехфазного тока оказывается несимметричным. Несимметрия токов в сети вызывает дополнительные потери энергии,
перегрузку ВЛ, силовых трансформаторов и генераторов
электростанции, а несимметрия напряжения приводит к
дополнительным потерям в трехфазных двигателях, снижению
начального вращающегося момента, недопустимому нагреву
двигателей. Для симметрирования нагрузок фаз питающей
энергосистемы тяговые подстанции присоединяют так, чтобы
нагрузка от нескольких подстанций, работающих параллельно,
равномерно распределялась по фазам питающих ВЛ (рис. 31).
На всех подстанциях используют трансформаторы одной
группы и к рельсу присоединяют один и тот же вывод
вторичной обмотки с. При этом более нагруженными будут
фазы ас и cb вторичной и соответственно Ат и Ст первичной
обмоток трансформатора. Фаза Ьа вторичной обмотки, не
соединенная с рельсом, и соответственно фаза Вт первичной
будут недогружены.
Присоединяя фазу Вт к разным фазам ВЛ на всех
подстанциях (на рис. 31 отмечена звездочкой), получим более
равномерную нагрузку фаз ВЛ.
Выводы Ат Ст первичной и а и Ь вторичной обмоток
трансформатора присоединяют к фазам ВЛ и к контактной сети
в определенной последовательности, чтобы смежные
подстанции работали параллельно иа тяговую сеть.
80
Ттобые подстанции
Рис. 31. Схема подключения подстанций к ЛЭП и питания тяговой сети на
дорогах переменного тока (ИВ — нейтральная вставка)
Так, участок тяговой сети / питается от фазы ас вторичных
обмоток трансформаторов подстанций 1 к 2 (и фазы Лт
первичной) и, следовательно, фазы А линии электропередачи
А; аналогично участок // — от фазы Ьс подстанций 2 и 3, т. е; от
фазы В линии электропередачи, и участок III — от фазы ас
подстанций 3 и 4, т. е. от фазы С линии электропередачи, и т. д.
При этой схеме и двустороннем питании ВЛ для
равномерной ее нагрузки необходим цикл из шести
подстанций; три последующие подстанции должны
присоединяться к ВЛ в обратном порядке по сравнению с
рассмотренной схемой, т. е. 3, 2, 1.
В системе электроснабжения 2X25 кВ (см. рис. 2)
используются
однофазные
тяговые
трансформаторы
ОРДНЖ-16000/1Ю (однофазный, с расщепленной вторичной
обмоткой, с дутьем, с регулированием напряжения под
нагрузкой, для железных дорог) мощностью 16 МВ-А и
автотрансформаторы АОМНЖ-ЮООО/55/27,5
81
(однофазный,
масляный)
мощностью
10
MB-А.
Симметрирование токов в питающих ВЛ осуществляется так
же, как н в системе 25 кВ (см. рис. 31).
13. Токи короткого замыкания
Токи короткого замыкания (к. з.) в установках
переменного тока. Процесс к. з. Короткое замыкание
возникает при нарушении изоляции токоведущих элементов,
повреждениях оборудования и сети, неправильном действии
обслуживающего персонала при переключениях нли
ремонтах, в результате неправильного выбора и расчета
аппаратуры и токоведущих частей установки. Короткие
замыкания могут быть вызваны также птицами, животными,
насекомыми.
Различают глухое к. з., при котором токоведущие части
непосредственно соприкасаются, и неглухое, когда они
соединены электрической дугой. Короткое замыкание
сопровождается протеканием в цепи токов, значительно
превышающих ток нормального режима, а также снижением в
ней напряжения. Для оборудования и токоведущих частей
электроустановок опасно механическое и тепловое действие
токов к. з.
При
проектировании
электрических
установок
выполняют расчет этих токов. Значения их необходимы для
выбора коммутационных аппаратов и проверки шин,
изоляторов и кабелей, проектирования релейной защиты и ее
настройки, выбора средств ограничения токов к. з., расчета
защитных заземлений.
В трехфазных сетях возможны три вида к. з.: трехфазное,
двухфазное и однофазное. Однофазные к. з. — самые
распространенные — происходят только в системах с глухим
заземлением нейтрали (см. параграф 10).
Статистические данные показывают, что из всех видов к.
з. однофазные к. з. составляют 65%, двухфазные
(3)
82
машин известно, что ток
r„ J K.3.—10%, двойные замы-
трехфазного к. з.
кания на землю — 20% и При еп ни
достигает при однофазном к. з.
Его установившееся
и и!
трехфазные к. з. — 5%.
гтргии ^ \ Из курса
электрических
Рнс. 32! Схема замещения цепик. з. наибольшее значение
значение на зажимах генератора больше в 1,5 раза, чем при
двухфазном, и в 2,5 раза, чем при трехфазном к.з.
В системах с глухим заземлением нейтрали принимают
меры по уменьшению токов однофазного к. з. до значения, не
превышающего наибольший ток при трехфазном к. з.
Поэтому, не считаясь с режимом работы нейтрали в системе,
выбор оборудования, расчеты токоведущих частей установок
и все другие расчеты осуществляют по токам трехфазного и
двухфазного к. з. Рассчитывают ток к. з., принимая ряд
допущений, считают трехфазную систему симметричной, к. з,
глухим, не учитывают емкость и активное сопротивление
элементов, токи намагничивания трансформаторов.
Значения тока к. з. и напряжения в сети зависят от
мощности источников, питающих место к. з., сопротивления
элементов цепи до места к. з., времени, прошедшего после
начала к. з. и фазы напряжения в этот момент.
Трехфазное к. з. в цепи, питающейся от генератора без
автоматического регулирования возбуждения (АРВ). Простейшая
трехфазная цепь (рис. 32) состоит нз активных и индуктивных
сопротивлений гЕ и х £ Если к. з. произошло в точке К, сопротивление цепи
резко уменьшается, ток возрастает. В установках напряжением выше 1000
В при к. з. вблизи электрической станции обычно хЕ »гЕ н, следовательно,
<р«90°, т. е.
83
где /« — действующее значение тока трехфазиогь к. з., А;
Ucр — среднее линейное напряжение на шинах, 6.
Известно, что в цепях, содержащих индуктивность, ток мгновенно
измениться не может, поэтому при к. з. изменение сопротивления цепи
вызывает переходный процесс, в течение которого ток в ней изменяется до
некоторого нового установившегося значения. При этом происходит
изменение э. д. с. генератора.
Наиболее тяжелый случай — это к. з. в момент, когда мгновенное
значение напряжения равно нулю, а мгновенное значение тока
максимально. Векторная диаграмма (рис. 33, а) и кривая тока к. з. [„ (рис.
33, б) соответствуют моменту перехода от нормального режима к режиму
к. з. при мгновенном значении напряжения фазы В, равном нулю. Ток к. з.
изменяется от наибольшего значения /, до установившегося У2/,»
(изменение тока к. з. показано только для фазы В).
После возникновения к. з. токи в фазах приобретают новые
значения 1 К А , 1 К Б , 1 К С (см. рис. 33, а), а в связи с изменением параметров
цепи изменяется и сдвиг фаз между током н напряжением до значения Ф„.
Ток к. з. можно представить в виде двух составляющих: периодической in и
апериодической ia. Составляющая in — это ток нового режима,
изменяющийся по гармонической кривой с той же частотой, что и до
режима к. з.; ia — свободный ток, затухающий по экспоненциальной
кривой, определяемый соотношением г и L цепи к. з.
Рис. 33. Векторная диаграмма (а) и кривая тока к. з. (б) в цепи,
питающейся от генератора без АРВ:
/ — нормальный режим; // — неустаповившийся; /// — установившийся
(3)
84
/
(4)
где Т, — Достоянная времени апериодической составляют ей тока t 'к. з.;
Г,«0,05 с.
Полйый ток к. з. iK является суммой мгновенных значений пе
рнодической и апериодической составляющих н кривая его несимметрична
относительно оси времени. Максимальное мгновенное значение полного
тока к. з. наблюдается через половину периода (0,01 с) после
возникновения к. з. и называется ударным током. Он оказывает
динамическое воздействие и может вызвать механические разрушения
(разрушить изолятор, погнуть жесткие шины и т. л.). Ударный ток можно
определить как
ly = l
nt-=0,01 + а,/=0,01
/
0,01
0,01
=
^пм + ^а,/=0® Г*
0,01
е, /
= Лш + Л,ме Г* = /„м(1 +Т,
)= „мку.
Г.
(5)
Ударный коэффициент к,- показывает, во сколько раз ударный ток
больше амплитуды периодической слагаемой тока к. з. Значение его
находится в пределах 1<ку<2.
Установившийся длительный ток к. з. /о» оказывает термическое
действие: вызывает нагрев, а иногда и загорание проводов. Амплитуда
периодической составляющей i„ (см-, рис. 33, б) изменяется от начального
максимального значения
называемого
сверхпереходным током, до установившегося У2/„. При питании цепи от
источника неограниченной мощности с измененным синусоидальным
напряжением периодическая составляющая тока с амплитудой /„„ будет
незатухающей, т. е. /"=У2/„,.
Генераторы
электростанций
снабжают
автоматическими
регуляторами возбуждения (АРВ), которые поддерживают напряжение
генератора на определенном уровне, воздействуя на ток возбуждения. При
к. з. напряжение на генераторе уменьшится и АРВ, повышая возбуждение,
восстанавливает напряжение. Если точка к. з. значительно удалена,
установившийся ток /„ может оказаться равным сверхпереходному току/"
или даже превысить его. Устройство АРВ ие влияет на значение тока к. з. в
начальный период. Поэтому при наличии АРВ в случае к. з. в удаленной
точке начальные значения сверхпереходиого тока и апериодической
составляющей, ударный ток и действующее значение сверх переходного
тока к. з. /" будут такими же, как и при генераторах без АРВ.
85
ление учитывают, когда г £ >
£ Под сопротивлением элемента
установки в относительных единицах понимают отношение падения
напряжения иа ием при номинальном токе к его номинальному
напряжению. Относительные сопротивления обозначают г„ х„ г.. Если
заданы 1 в амперах, U в вольтах и известно индуктивное сопротивление х в
омах па фазу, то
Расчетные сопротивлении и базисные величины.'Сопротивления цепи
**
к. з. (активные и индуктивные) могут быть выражены в омах,
относительных единицах или в процентах. При вычислении токов к. з., все
расчеты относят к одной фазе. \
ДЛЯ напряжения свыше 1000 В сопротивление цепи к з. принято
выражать в относительных единицах, приведенных к базисным условиям,
что позволяет упростить вычисления. Активное сопротив
(6)
При расчетах токов к. з. выбирают базисные единицы: за основу
принимают постоянную базисную мощность Sв н все сопротивления
элементов цепи к. з. приводят к базисным условиям. Базисные величины
связаны условием Sr, — уЗб'г/г.
Если мощности источников известны, то за базисную прииима ют
сумму 'мощностей генераторов или выбирают ее произвольно (например,
100 МВ-А). За базисное напряжение Uc принимают среднее расчетное IJ, г
той ступени, для которой вычисляют токи к. з. Базисную мощность для всех
элементов цепи к. з. принимают одной н той же. Тогда базисный ток для
каждой ступени напряжения
(7)
Относительные сопротивления генераторов, трансформаторов, ВЛ,
реакторов и других элементов в цепи к. з. определяют по формулам,
приводимым в методиках по расчету токов к. з. Результирующее
относительное сопротивление цепи до точки к. з. при последовательном и
параллельном включении элементов определяют, пользуясь правилами
электротехники. При необходимости схемы треугольника преобразуют в
схемы звезды и наоборот, пользуясь формулами, известными из
электротехники.
Расчетная схема и определение токов при трехфазном к. з. (Для
8)
расчетов токов к. з. составляют упрощенную схему, иа которой указывают
все элементы и их параметры (рис. 34, а). Сопротивления элементов
86
принимают по каталогам и справочникам. На-
87
Рис. 34. Однолинейная расчетная
схема (о) и схемы замещения (б и е)
для точки к. з. КЗ
мечают расчетные точки к. з., для которых необходимо выбрать аппаратуру,
защиту, проверить токоведущие части подстанции. Та кнми точками
являются шины подстанции высокого напряжения ((/>1000 В), шины
районной нагрузки и питающих ВЛ. При к. з. по этим элементам будет
протекать наибольший ток, определяющий наиболее тяжелые условия
работы электрооборудования и аппаратуры.
Составляют схему замещения при к. з. в точке КЗ (рис. 34, б). Каждый
элемент цепи в этой схеме обозначен дробью: в числителе порядковый
номер, а в знаменателе — сопротивление в относительных единицах,
приведенных к базисной мощности. Постепенно преобразуя схему,
определяют результирующее сопротивление цепи к. з. х.рез (рис. 34, в).
Для выбора электрооборудования и проверки токоведущнх частей
рассчитывают токи к. з. I", разрывной ток h и У™. По значению
сверхпереходного тока /" определяют ударный ток iy, сверхпереходную
мощность S" и осуществляют проверку оборудования на динамическую
устойчивость. Величины Г, S", /у и /» находят соответственно по формулам:
/"(3) = _Ь_
S" уз иср ["
(8)
88
*yV2/"
Iy
-
i"\T\
+ц К у
(9)
+ \у.
Ток /у необходим для проверки электрооборудования на
электродинамическую устойчивость, а /у — для расчета шнн иа
механическую прочность.
Для выбора выключателей по отключающей способности нужно
иметь значения тока Л, который аппарат может выдержать в течение
времени t (например, через /=0,15 с) и соответствующей мощности Si к. з.
Установившийся
ток
к.
з.
/«,
необходим
для
проверки
электрооборудования на термическую устойчивость.
Значения токов к. з. в любой момент времени находят по расчетным
кривым, представляющим зависимость относительного значения
периодического тока от расчетного сопротивления цепи к. з.: I $ (fc х‘ г»о).
Они позволяют вычислять периодическую составляющую тока к. з. для
любого момента времени от t—О до /—оо с учетом влияния АРБ и без
него. Кривые построены для турбогенераторов н гидрогенераторов для
расчета токов к. з. *.расч=3. При А-,раСч>3 точка к. з. считается удаленной;
периодическая составляющая в этом случае остается неизменной
(незатухающей) /"«/о», а ток и мощность к. з. соответственно:
/"(3
)
/<?>=/ =
(10)
Хш Раст
По расчетным кривым при /=0 можно определить начальный
сверхпереходной ток /"<*), при /=оо — установившийся ток I и при /=0,15 с
— разрывной ток и мощность. Пользоваться расчетными кривыми
несложно. Определив х.расч и зная S K £ , /НЕ, Иср той ступени напряжения,
для которой рассчитывается ток к. з., иаходят по кривой для
соответствующего момента времени /,«1 и определяют
V
<
ч>
Затем находят ударный ток iy, полный ток /у по приведенным ранее
формулам при соответствующих значениях ку и мощность трехфазного к.
з.:
S" = f3t/cp/" или
S„E
89
(12)
Этими кривыми можно пользоваться н для расчетов токов двухфазного к. з.,
считая, чтол-ф=2.*Ф и умножая найденные по кривым значения I.nt на УЗ.
Расчет токов к. з. в установках напряжением до 1000 В. Сети низкого
напряжения обычно питаются от понижающих трансформаторов мощностью до
1000 кВ-A, обладающих значительным сопротивлением, которое ограничивает
токи к. з. При расчете должны учитываться активные сопротивления цепи к. з.
(сопротивление трансформатора, воздушных и кабельных линий и других
элементов вторичной цепи). А так как это сопротивление является большим, то
напряжение на первичной стороне трансформатора снижается незначительно.
Это дает возможность упростить расчет токов к. з. в сетях ниже 1000 В.
Для указанных условий считается, что питающая система обладает
неограниченной мощностью (примерно в 50 раз н больше мощности
трансформатора). Расчет токов к. з. в установках низкого напряжения
производится для выбора аппаратуры и токоведущих частей. При этом удобнее
пользоваться следующими единицами: сопротивление — Ом, напряжение — В
нли кВ, ток — А или кА, мощность — кВ-А. За базисную мощность принимают
мощность трансформатора.
Пример. Рассчитать ток и мощность к. з. на вторичной стороне
трансформатора при следующих данных:
5=250 кВ-А;
t/,i=4,5%; первичное напряжение 1/=10 кВ, вторичное 0,4 кВ.
Р а с ч е т . Мощность к. з.
100 100
^ = ^— = 250— = 5500 кВ-А.
Ток к. з.
5500
/„=—=■
к
V3 Um 1,73-0,4
= 7,8 кА.
Ударный ток
‘у = к у / к = 1.2-7,8 = 9,36 кА,
Электродинамическое действие токов к. з. Электродинамические усилия,
возникающие при к. з., могут вызвать разрушения шин, изоляторов, аппаратуры.
Наибольшие усилия возникают при действии ударного тока. Сила
взаимодействия в ньютонах между двумя параллельными проводниками любого
сечения (на основании закона Био-Савара)
90
'-^фЛ'г-З-Ю -7
(13).
где Л, h — мгновенные значения токов в проводниках, А;
I —• длина проводников, см; а — расстояние между осями
проводников, см; к* — коэффициент, зависящий от формы сечения
проводников и их взаимного расположения; определяют его по кривым.
Токоведущие части и аппаратура должны обладать достаточной
механической прочностью, чтобы противостоять динамическим усилиям при к. з.
Для проверки жестких шин определяют механические напряжения в них и
усилия, действующие на изоляторы. Полученные значения не должны
превосходить допустимых.
Термическое действие токов к. з. При протекании по токоведущим частям
токи к. з. (до момента отключения к. з.) дополнительно нагревают их. Проверка на
термическую устойчивость сводится к расчету возможной наибольшей
температуры нагрева вк током к. з. и сравнению ее с максимально допустимой
температурок битах. Должно соблюдаться следующее условие: ви^вишах>
если оно выполнено, то токоведущая часть термически устойчива- Расчетами при
проверке на термическую устойчивость токоведущих частей определяют
наименьшую площадь сечения.
Выбор аппаратуры по условиям устойчивости токам к. з. Электрические
аппараты выбирают по номинальному току и напряжению с учетом рода
установки (наружная, внутренняя).
При к. з. аппараты и токоведущие части должны быть устойчивы к
электродинамическим и термическим действиям токов к. з. Выключатели должны
отключать расчетные токи к. з. Технические- данные аппаратов, гарантированные
за'водом-изготовителем, должны быть больше соответствующих значений,
полученных в результате расчетов токов к. з.
Электродинамическая
устойчивость
аппарата
характеризуется'
максимальным
током
динамической
устойчивости
/max.
Условие
электродинамической устойчивости аппарата
Лп.х>43!
(14),
где i <у3>— ударный ток трехфазного з. в расчетной точке.
Термическая устойчивость аппарата характеризуется током (указывается в
паспорте), который может пропустить аппарат в: течение расчетного времени 1,5
или 10 с. Аппарат будет термически устойчив, если
91
Ф,
(1>J
■где — фиктивное время, с.
Под фиктивным понимают такое время, в течение которого
установившийся ток /«, выделяет то же количество тепла, что и
действительный, но изменяющийся во времени ток к. з. за действительное
время.
Не требуется проверять по режиму к. з. аппараты и токоведущие
части,
защищенные
плавкими
предохранителями,
имеющие
токоограннчивающис резисторы, провода ВЛ.
Токи к. з. в тяговых сетях постоянного тока. Короткие
замыкания в сетях постоянного тока происходят по тем же
причинам, что и в сетях переменного тока. Процесс к. з. в
тяговых сетях постоянного тока отличается быстрым
нарастанием
тока
до
максимального
значения.
Установившийся ток к. з. зависит от напряжения питающей
сети переменного тока, ее индуктивного и активного
сопротивлений, количества параллельно включенных
преобразовательных агрегатов, их мощности, сопротивления
тяговой сети и характера к. з. (глухое или •неглухое).
Крутизна нарастания тока к. з. увеличивается с
увеличением числа параллельно работающих агрегатов и
зависит также от напряжения и тока нагрузки в момент к. з.
Чем больше напряжение и ток нагрузки, тем больше крутизна
нарастания тока к. з.
При питании подстанций от мощных систем переменного
тока в тяговых сетях токи к. з. могут достигать 20—30 кА.
Такие токи опасны для оборудования подстанций и вызывают
пережоги проводов контактной сети. Для предотвращения
последствий к. з. устанавливают быстродействующие
выключатели, обеспечивающие отключение цепи в сотые и
тысячные доли секунды и не допускающие нарастания тока к.
з. до максимального значения. При к. з. в тяговой сети и
отсутствии нагрузки ток в цепи возрастает от нуля до
некоторого установившегося значения.
92
Изменение тока к. з. в функции времени при условии, что напряжение
источника питания постоянно, определяют по известному выражению
и
“Г*
/=Т(1-е * ).
(16>
где U — выпрямленное напряжение. В;
R — активное сопротивление цепи к. з. Ом; L —
индуктивность цепи к. з., Ги;
< — время, отсчитываемое от начала к. з., с.
Активнее сопротивление контура к. з. складывается из
сопротивлений контактной сети, рельсов, питающих, отсасывающих
проводов и обмоток трансформаторов. В основном оно зависит от
площади сечения контактной сети. Индуктивное сопротивление
представляет собой сумму индуктивностей тяговых трансформаторов
(1—1,8 мГи), сглаживающего реактора (4,5—6,6 мГн) н проводов
контактной сети (для 1 км составляет 0,8—2 мГн).
Пример. Допустим, необходимо узнать, как изменяется ток к. з„ если
в тяговой сети к. з. произошло на расстоянии 1 км от тяговой подстанции.
Известно сопротивление /?к.з.=0,2 Ом, и=ЗШ В, L= 10 мГн.
Ток к. з. в зависимости от времени определяют по формуле (16)
3000
(1-е
0,2 (
= 15000(1
-М,
0,01
)=
-е-20').
При <=0,1 с ток к. з. достигает 13000 А, т. е. 90% установившегося зиачеиня.
Такой ток недопустим и должен быть быстро* отключен.
14. Аппаратура и токоведущие части распределительных'
устройств тяговых подстанций
На подстанциях применяют различные аппараты, поназначению их можно разделить на следующие группы:
коммутационные аппараты, которые предназначенье для
включения и отключения цепей напряжением до» 1000 В и
выше 1000 В. В цепях до 1000 В к ним отно-
93
-сят рубильники, переключатели, контакторы, магнитные
пускатели, воздушные выключатели; в распределительном
устройстве (РУ) выше 1000 В — выключатели и
быстродействующие автоматические выключатели по- •стоянного
тока, разъединители, короткозамыкатели и отделители;
защитные аппараты — плавкие предохранители и разрядники;
аппараты для ограничения токов к. з. — добавочные резисторы,
реакторы;
измерительные аппараты и приборы — трансформаторы тока и
напряжения, приборы для измерения токов, напряжений,
мощностей и других величин;
аппаратура защиты, управления, автоматики и повышения к. п.
д. электрической системы.
В качестве токоведущих частей применяют гибкие •и жесткие
шины, силовые и контрольные кабели, провода.
Выключатели для отключения цепей напряжением до 1000
В: рубильники и переключатели предназначены для включения и
отключения цепей переменного и постоянного тока напряжением
до 660 В. Они могут быть одно-, двух-, трех- и четырехполюсными.
Ножи и неподвижные контакты выполняют на номинальный ток до
1000 А. Переключатели имеют дополнительные контакты, к
которым присоединена вторая цепь, и позволяют проводить
переключения с одной цепи на другую. Включение и отключение их
осуществляют вручную.
Контакторы и магнитные пускатели — это те же рубильники,
но управляют ими дистанционно. Их применяют при частом
включении и отключении цепи обслуживающим персоналом.
Магнитные пускатели (рис. 35, а) применяют для
дистанционного включения и отключения двигателей. .Магнитный
пускатель состоит из кожуха, в котором
94
Рис. 35. Схемы выключателей низкого напряжения: а — магнитный
пускатель; б — контактор
размещены трехполюсный рубильник 2, тепловое реле;, катушка с
сердечником 4, блок-контакты 1 и кнопки включения КВ и
отключения КО. При нажатии на кнопку КВ сердечник 4
притягивает якорь 3 и подвижные контакты 2 замыкают силовую
цепь. Отключение осуществляют кнопкой КО; при этом катушка
обесточивается и ножи под действием собственной массы
разрывают силовую цепь. Для защиты от перегрузки предусмотрено
тепловое реле, оно состоит из биметаллического элемента,
контактов 5 и нагревательного элемента 6, включенного в силовую
цепь. При перегрузках тепловое реле автоматически отключает
цепь.
Контакторы (рис. 35, б) используют для дистанционного пуска
и остановки двигателей, включения и отключения приводов
высоковольтных выключателей. При замыкании цепи катушки
электромагнита 4 якорь 3 притягивается и контакты 1 замыкают
силовую цепь. Пружина 7 ускоряет расхождение контактов 1 при
отключении. Контакторы снабжены дугогасительными камерами 8.
От токов к. з. электрические цепи, в которых установлены
рубильники, переключатели, магнитные пускатели и контакторы,
защищены предохранителями •с плавкими вставками.
Воздушные автоматические выключатели предназначены для
оперативного включения и отключения цепей, защиты от токов к. з.,
95
а также для защиты приемников при понижении или повышении
напряжения и тока и изменении направления тока. Автоматические
выключатели бывают максимального, минимального тока и
напряжения, реагирующие соответственно на изменение этих
величин, и др.
У выключателей максимального тока (рис. 36, а) рычаг
защелки 1 под действием пружины 2 удерживает во включенном
положении подвижной контакт 6. При токе свыше допустимого в
катушке 3 освобождается защелка 1, подвижной контакт 6
поворачивается вокруг оси 4 и размыкает цепь. В выключателе
минимального тока (рис. 36, б), когда ток в катушке 3 становится
.ниже необходимого для удержания якоря в притянутом положении,
подвижной контакт 6 поворачивается под действием пружины 5 и
также размыкает цепь.
Автоматические выключатели максимального и минимального
напряжения отличаются от рассмотренных тем, что катушки 3 в них
включены параллельно защищаемой цепи. Автоматические
выключатели включа-
Рис. 36. Принципиальные схемы воздушных автоматических
выключателей максимального (а) и минимального (б) токов,
максимального напряжения (в)
ют
вручную
или
дистанционно
и
снабжают
дугогасительными камерами. На подстанциях трехфазные
автоматические выключатели устанавливают на вторичной
стороне
трансформаторов
собственных иужд
при
напряжении до 660 В.
Плавкие предохранители устанавливают для защиты
96
электрических цепей и аппаратов от токов к. з. и перегрузок.
Плавкий предохранитель состоит из легко- плавящейся
металлической вставки, укрепленной в. корпусе, и представляет
собой искусственно ослабленное сечение защищаемой цепи. При
увеличений тока, в цепи до опасного для проводов и аппаратов
плавкая вставка расплавляется (перегорает) и отсоединяет
защищаемую цепь от источника питания.
Плавкие предохранители устанавливают в цепях до 1000 В, их
вставки выполняют из олова, цинка и меди, а выше 1000 В — из
меди и серебра. В корпус предохранителя можно вставлять плавкие
вставки на различные номинальные токи.
Предохранители на напряжение до 1000 В изготовляют иа
номинальные токи плавких вставок от 6 до- 1000 А, а
предохранители на напряжение свыше 1000 В— на токи до 400 А.
Предохранители характеризуются номинальным напряжением и
током, а предохранители на напряжение свыше 1000 В
характеризуются еще и предельным отключаемым током, который
предохранитель способен отключить, не повредившись.
Селективность действия предохранителей обеспечивается
только^ в радиальных разомкнутых сетях.
Выключатели на напряжение свыше 1000 В служат для
включения и отключения цепей под нагрузкой и автоматического
отключения при к. з. и перегрузках. В установках переменного тока
применяют масляные, воздушные, электромагнитные, вакуумные и
элегазовые выключатели, а в установках постоянного тока —
быстродействующие выключатели. Выключатели должны об.ладать определенной отключающей способностью и возможно
меньшим временем отключения. Имеются выключатели на
напряжения до 750 кВ с мощностью отключения до 35000 МВ-А.
Время отключения составляет 0,03—0,08 с, а быстродействующих
выключателей— тысячные доли секунды.
Отключение силовой цепи сопровождается появлением
электрической дуги между контактами отключающего аппарата.
Дуга, имеющая температуру
5 000—
10 000°С, должна быть как можно скорее погашена, особенно при к.
з. Условия гашения дуги в цепях переменного тока облегчаются
97
тем, что ток через каждые полпериода проходит через нулевое
значение и дуга в этот момент гаснет. При этом наблюдается
интенсивная деионизация и быстрое увеличение электрической
прочности дугового промежутка.
Выключатель переменного тока должен предотвращать
повторное зажигание дуги после ее погасания при прохождении
тока через нуль. Это достигается быстрым расхождением контактов
и применением специальных дугогасящих устройств. Процесс
гашения дуги у ранее выпускаемых выключателей длился 10—15
периодов (0,1—0,15 с), а у современных — всего 1—3 полупериода. Значительных перенапряжений при гашении дуги в цепях
переменного тока не возникает, так как при прохождении тока через
нуль магнитный поток исчезает.
Условия гашения дуги в цепях постоянного тока значительно
тяжелее и связаны они с возникновением больших коммутационных
перенапряжений. Для гашения дуги необходимо непрерывно
уменьшать число ионизированных частиц в дуге, а следовательно, и
ток в цепи.
При наличии индуктивности в цепи и уменьшении тока при
отключении в ней наводится э. д. с., которая суммируется с
основным
напряжением,
в
результате
чего
возникает
перенапряжение. Чем интенсивнее деио- лизация дуги, тем больше
скорость изменения трка и
98
перенапряжения,
которые
опасны
для
изоляции
электрооборудования. Поэтому в установках постоянного тока
высокого напряжения нельзя применять выключатели переменного
тока с высокой дугогасящей способностью. В этих цепях
устанавливают выключатели с гашением дуги в воздухе, при
которых перенапряжения не превышают трех-, четырехкратных
значений номинального напряжения установки.
Для гашения дуги в быстродействующих автоматических
выключателях применяют магнитное дутье и дугогасительные
камеры. Использовать масляные выключатели в установках
постоянного тока нельзя, так как высокая деионизирующая
способность масла приводит к быстрому спаданию тока до нуля.
Масляные выключатели могут быть с большим объемом масла
(баковые) и с малым (горшковые). В первых масло используется для
гашения дуги и изоляции токоведущих частей друг от друга и от
заземленного бака, во вторых — только как среда для гашения
дуги.
Для
управления
выключателями служат приводы.
Рассмотрим
многообъемный
масштабный выключатель с
двумя разрывами на фазу без
дугогасительиых устройств (рис.
37). Металлический бак 1 закрыт
сверху крышкой 9 и заполнен до
определенного
уровня
минеральным маслом.
Неподвижные
контакты
4
укреплены
на
проходных
изоляторах 6, подвижные 2
смонтированы на тра-
Рис. 37. Масляный
выключатель многообъемиый
без дугогасительиых
устройств
99
верее 3, которая связана с приводным механизмом
выключателя и может перемещаться в вертикальном направлении.
Включение осуществляется приводом при вращении вала 7
Отключение происходит под действием пружины 8 и собственной
массы траверсы при освобождении защелки привода. При
отключении выключателя контакты 2 и 4 расходятся и между ними
возникают две последовательные дуги. Под действием высокой
температуры дуги масло испаряется и разлагается, образуя газовые
пузыри. Газовый пузырь состоит из 70% водорода, теплоемкость
которого в 7 раз больше теплоемкости воздуха, и 30% других газов.
Деионизация происходит вследствие образования водородной
среды и высокого давления газового пузыря.
Важную роль играет буферное пространство (20— 30% объема
бака, не заполненного маслом), оно позволяет подняться маслу при
расширении вверх, вследствие чего уменьшается давление на
стенки и дно бака. Если эт.о пространство недостаточно, то
возможно разрушение бака. При низком уровне масла газовый
пузырь, не успев охладиться, соединяясь с кислородом воздуха,
может вызвать взрыв. Для контроля уровня масла в баке служит
маслоуказательное стекло 10. Буферное пространство выключателя
соединено с атмосферой трубкой 5. Миогообъемные выключатели
на напряжение 35 кВ и выше имеют бак на каждую фазу.
Для ускорения гашения дуги и повышения мощности
отключения масляных выключателей применяют специальные
дугогасительные устройства, которые создают интенсивное газовое
дутье при небольшом расхождении контактов.
У выключателей МКП-110 м (масляный, с дугогасительной
камерой, подстанционный напряжением 110 кВ) дугогасительные
устройства (два на фазу) укреплены на стержнях неподвижных
контактов выключателя и представляют собой камеру с
четырехкратным разрывом тока. Образовавшаяся при размыкании
контактов дуга создает в камере высокое давление газов, под
действием которого масло вместе с дугой через отверстия поступает
в бак выключателя. В гасительной камере создается поперечное
дутье и электрическая дуга гаснет в течение двух-трех
полупериодов.
100
Недостатками мпогообъемных выключателей являются
большие масса и размеры, взрыво- и пожароопасность, большое
количество масла в них (8,5—9 т в выключателях на 110 кВ; 45—48
т — в выключателях на 220 кВ и 88 т — в выключателях МКП-500
на 500 кВ).
В установках напряжением 6—110 кВ применяют масляные
выключатели с малым объемом масла. Они более компактны, менее
пожаро- и взрывоопасны и позволяют применять комплектные
конструкции РУ, удобно встраиваются в камеру КРУ, КСО и др.
Масса масла в выключателях на 10 кВ — 4,5 кг, а на 110 кВ — 600
кг.
Промышленность
выпускает
более
совершенные
малообъемные масляные выключатели типов ВМП-10, ВМП-10К с
пружинными и электромагнитными приводами.
Выключатель подвесной ВМП-10К (для комплектных РУ) (рис.
38), его разрывная мощность 350 МВ-А, L'„= 10 кВ, /„=630-7-1500
А. Он состоит из трех фаз — баков 1 из стеклоэпоксидной смолы,
закрепленных на опорных изоляторах 2, и установлены на стальной
раме 3. Изолированная тяга 4 соединяется с приводом выключателя
валом 7. Для смягчения ударов при включении и отключении
предусмотрены буферы — пружинный и масляный 5. Между
фазами имеются изоляционные перегородки 8, для заземления рамы
служит болт 6. При отключении выключателя подвижные
контактные стержни проходят через бак в гасительную камеру,
размещенную в нижней части бака с маслом. Возникает
электрическая дуга и образуются газы, которые вместе с
101
Рис. 38. Масляный выключатель ВМП-10К
маслом под давлением устремляются в поперечные каналы и гасят
дугу.
На подстанциях переменного тока в цепях
27,5 кВ, питающих контактную сеть, устанавливают однофазные
масляные выключатели ВМК-25 (рис. 39) колонкового типа на
/н=1000 А с малым количеством масла (25 кг). Время срабатывания
0,1 с, разрывная мощность 300 МВ*А.
В электрических установках применяют воздушные
выключатели, у которых электрическая дуга гасится в струе
сжатого воздуха, поступающего от компрессорной установки с
давлением от 0,8 до 2,2 МПа. В сетях 330—750 кВ используют
воздушные выключатели.
Электромагнитные выключатели (ВЭМ) предназначаются для сетей
6—10 кВ с номинальным током до
102
3200 А в КРУ, расположенных в помещениях. Выключатель имеет
рабочие и дугогасительиые контакты на открытом воздухе.
Принцип гашения дуги основан на взаимодействии магнитного
поля и тока дуги, которая перемещается со скоростью 30 м/с внутри
дугогаситель- иой камеры, где она растягивается, деионизируется и
через 0,01—0,02 с гаснет. Электромагнитный выключатель взрывои пожаробезопасен, допускает большое количество переключений
без подгара контактов, его устанавливают на подстанциях
метрополитенов.
Промышленность выпускает элегазовые и вакуумные
выключатели. Они имеют небольшие размеры, время отключения
их 0,01 с, являются пожаро- и взрывобезопасными.
В элегазовых выключателях в качестве изолирующей и
дугогасящей среды используют шестифтористую серу F6S.
Выпускают нх на напряжения 6—750 кВ с током отключения
50—60 кА. Элегаз обладает дугогасящей способностью (в 100 раз
больше, чем у воздуха), имеет в 2—3 раза большую электрическую
прочность.
На тяговых подстанциях переменного тока используют
элегазовые выключатели ВЭГО-27,5 в распредуст- ройствах 27,5 кВ
(рис. 40). Выключатели имеют номинальный ток /ном—1000 А,
разрывную мощность 450 МВ-А, давление газа в гасительной
камере 0,2— 0,25 МПа.
Вакуумные выключатели разработаны иа напряжение до 220
кВ. Их устанавливают в РУ 6, 10 и 20 кВ (рис. 41). Выключатель —
это стеклянный запаяииый цилиндрический корпус, из которого
откачан воздух, с давлением Ю-4 Па. Через верхний фланец
вмонтировав неподвижный контакт, а через нижний с
уплотнением— подвижной. Ход подвижного контакта всего 4 мм.
При размыкании контактов не образуется дуга, так как отсутствует
ионизирующая среда. При токах 1000—1200 А
4-5128
103
Рис. 40. Выключатель с элегазовым заполнением:
/ — изолятор вводам 2 — трансформатор тока; 3 — герметичный
сосуд с дугогасительиой камерой:
4 — баллон с элегазом
ч -----------------------------------Рис.
39.
Однофазный
выключатель ВМК-25:
масляный
J — колпак; 2 — выхлопной пат- рубок; 3 —
смотровое стекло; 4 — контактные выводы; 5
— опорная фарфоровая колонка, внутри
которой расположены неподвижный и
подвижной контакты и дугогасн- тельная
камера; 6 — рама выключателя
они допускают 5—10 тыс.
отключений
короткого
замыкания. Время отключения
составляет 0,01 с. Вакуумные выключатели применяются на
тяговых подстанциях в сетях автоблокировки, продольных ВЛ и в
установках емкостной компенсации.
104
Рис. 41. Трехфазнын вакуумный выключатель ВВВ-10/320:
/ — привод выключателя; 2 — вал выключателя; 3 — подвижной изолятор; 4 —
болт-тяга; 5 — камера выключателя
Тиристорные выключатели разработаны на напряжение 10 кВ.
При естественной коммутации оии отключают электрическую цепь
через полпериода.
Выбор выключателей осуществляют по номинальному току,
номинальному напряжению, разрывной мощности, динамической и
термической стойкости токам к. з. и месту установки.
Приводы выключателей на напряжение свыше 1000 В
предназначены для их включения и отключения, а также удержания
во включенном положении. Применяются ручные, грузовые,
пружинные, электромагнитные и пневматические приводы. Все
приводы выполнены со свободным расцеплением, т. е. с
механизмом, обеспечивающим автоматическое отключение
выключателя при включении его на к. з.
Электромагнитные приводы являются основными при
дистанционном управлении. Они просты, надежны в эксплуатации,
дешевы, но для них необходим источник постоянного тока
напряжением 110 или 220 В (при переменном токе размеры
электромагнитов больше, а конструкция приводов сложнее).
4*
105
Имеются приводы типов ПС (привод соленоидный) и ПЭ-11
(электромагнитный).
Разъединители предназначены для разъединения и соединения
электрических цепей напряжением выше 1000 В без нагрузки. Они
не имеют устройств для гашения дуги. Для выполнения ремонта
оборудования сначала отключают выключатель и после этого
разъединители. При вводе оборудования в работу, наоборот,
сначала включают разъединители, а затем включают выключатель.
Разъединителями разрешается включать и отключать цепи
измерительных трансформаторов напряжения, цепи с током
холостого хода силовых трансформаторов, а также зарядные токи
кабельных и воздушных линий электропередачи небольшой
протяженности напряжением до 110 кВ. Выполняют их для
внутренней и наружной установки, с заземляющими ножами и без
ннх. По назначению они могут быть линейными, шинными,
секционными.
У разъединителя рубящего типа (для внутренней установки)
подвижные контакты / (рис. 42) и неподвижные 2 выполнены из
меди и расположены иа опорных изоляторах 3, которые укреплены
на раме 4. Рычаг 6, находящийся на валу 5, служит для включения и
отключения подвижных контактов с помощью изолирующих тяг 7.
Управление разъединителями осуществляется с помощью
ручного, электродвигательного или пневматического приводов. Для
предупреждения неправильных операций обслуживающим
персоналом при работе с разъединителями установлены
механические блокировки и электромагнитные замки, не
позволяющие отключить разъединитель, пока не отключен
выключатель.
106
Рис. 42. Трехфазный разъединитель рубящего типа иа 6 кВ
Выбор разъединителей осуществляют по номинальному току и
напряжению, роду установки, числу полюсов, конструкции и типу
приводов.
Выбранный разъединитель проверяют иа динамическую и
термическую стойкость токам к. з.
Короткозамыкатели и отделители устанавливают на
промежуточных и тупиковых подстанциях напряжением 35—220
кВ, не имеющих выключателей на стороне высокого напряжения
(см. параграф 2). Их применение удешевляет подстанции и
упрощает их эксплуатацию.
Короткозамыкатель КЗ-110 (рис. 43) на напряжение 110 кВ
выполнен в виде однополюсного аппарата. Он состоит из колонки
изоляторов 6, неподвижного контакта 4, к которому подключена
одна из фаз 5, трубчатого
107
стального ножа 3, к которому
присоединяют заземляющую шину 2,
н швеллерного основания 1. Угол
поворота ножа составляет 60°
Управление ко- роткозамыкателем
осуществляется с помощью привода,
установленного в шкафу ШПКВключение
происходит
автоматически прн срабатывании
релейной защиты трансформатора.
Отключают короткозамыкательвруч
ную.
Отделитель ОД-ПО — это
двухколонковый
трехфазный
разъединитель,
снабженный
Рис. 43. Короткозамыкатель
автоматическим
приводом;
типа КЗ-110
отличается
от
разъединителя
быстродействием. Он состоит из двух изоляторов 1 (рис. 44), на
которых укреплены подвижные контакты с контактным
устройством 5, цоколя 3, двух чугунных оснований 2 и
отключающих пружин 4. Отделитель имеет привод. Включение и
отключение осуществляется поворотом одновременно обоих
изоляторов с помощью тяг. Привод позволяет автоматически
отключать и включать отделитель.
Трансформаторы тока (ТТ) применяют в установках высокого
и низкого напряжения переменного тока для питания обмоток реле
защиты и измерительных приборов.
Трансформаторы тока надежно изолируют приборы от
высокого напряжения (рис. 45, а), обеспечивают безопасность
обслуживания и позволяют применять стандартные приборы и
реле. Номинальный ток втсг
108
г~-Л
\
Кт
S3
Д
///
------------- ГУ—т—т -------------------------т~х
43г
t
1500
mttjs
ричной обмотки ТТ обычно составляет 5 А. По степени точности
измерений ТТ разделяют иа пять классов: 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Для
лабораторных измерений используют
ЮЗ
' Вткп-
Отм>
Рис. 44. Отделитель типа ОД-ПО/БОО
Рис. 45. Схема включения трансформаторов тока (а) и напряжения
(б)
ТТ класса точности 0,2, для подключения счетчиков, по
которым выполняют денежные расчеты, — класса 0,5, для
подключения приборов — класса 1 и релейных защит —
класса 3 и 10.
Токовые обмотки измерительных приборов и реле имеют
малое сопротивление, поэтому ТТ нормально работают в
режиме к. з. Размыкание вторичной обмотки при наличии тока
в первичной цепи недопустимо, так как может быть
повреждена изоляция трансформатора и на вторичной обмотке
появится высокое напряжение.
При замене измерительного прибора или реле
предварительно замыкают накоротко вторичную обмотку ТТ.
По конструкции ТТ делят на катушечные, опорные,
проходные, встроенные; по числу витков первичной обмотки
— на одновитковые и многовитковые; по месту установки —
для внутренней и наружной установки. Их выбирают по
номинальным напряжению и току первичной цепи, классу
точности
и
месту
установки
и
проверяют
на
электродинамическую и термическую стойкость при к. з.
Трансформаторы напряжения (ТН) предназначены для
измерения напряжения, питания счетчиков учета энергии и
реле в устройствах защиты установок пере-
110
мениого тока напряжением выше 1000 В (рис. 45, б).
Номинальное вторичное напряжение ТН равно 100 В.
Приборы в этом случае градуируют так, чтобы при
напряжении 100 В оии показывали номинальное напряжение
установки. По принципу действия и конструкции ТН подобны
силовым и отличаются лишь мощностью, которая составляет
несколько десятков или сотен вольтам- пер. Они имеют четыре
класса точности: 0,2; 0,5; 1 и 3.
Трансформаторы напряжения различают по числу фаз
(однофазные
и
трехфазные),
по
числу
обмоток
(двухобмоточные и трехобмоточные) и по роду изоляции
(сухие с воздушным охлаждением и масляные/. Схемы
соединения обмоток ТН могут быть различными. Однофазный
трансформатор позволяет измерить одно междуфазное
напряжение, два однофазных по схеме соединения открытый
треугольник (рис. 46, а), любые напряжения между фазами.
При соединении трех однофазных трансформаторов по схеме
звезда — звезда с глухим заземлением нулевой точки
первичной обмотки (рис. 46, б) можно измерять напряжение
между фазами и фаз по отношению к земле, а также контроли-
аI
х!
лес
Рпс. 46. Схемы соединения трансформаторов напряжения 105
ровать состояние изоляции фаз по отношению к земле в сетях с
изолированной нейтралью (см. параграф 10).
В нормальном режиме вольтметры всех фаз показывают
фазное напряжение. При замыкании любой фазы на землю
вольтметры, подключенные к двум другим фазам ТН, покажут
линейные напряжения, а вольтметр на замкнутой фазе — нуль.
Та фаза, на которой напряжение равно нулю, замкнута на
землю. К зажимам at—xl дополнительных обмоток (см.
штриховую линию иа рис. 46, б) подключают реле контроля
изоляции, которое срабатывает при замыкании любой фазы
первичной сети на землю и замыкает цепь сигнала.
Трансформаторы напряжения выбирают по номинальному
напряжению, числу фаз, роду установки, классу точности и
максимальной мощности вторичной обмотки.
Быстродействующие выключатели применяют для
включения и отключения цепей постоянного тока под
нагрузкой и автоматического отключения их при перегрузках
и к. з. Они являются одновременно н коммутационными
аппаратами, и максимальной
токовой защитой.
Быстродействующие
автоматические
выключатели
(БВ) применяют для защиты от
токов
к.
з.
на
фидерах
подстанции,
постах
секционирования и для защиты
преобразователей.
Рис. 47. Кривые нарастания
тока к. з. и измеиеиия тока в
цепи при отключении его
быстродействующим
выключателем
Время отключения к. з. Т (рис. 47)
можно разбить на четыре периода. В
течение времени I , ток нарастает до
значения, равного уставке выключателя
/уст. Это время не зависит от коиструк-
112
дни выключателя и определяется значением /, Ст и параметрами цепи к. з.
Интервал h — собственное время выключателя (тысячные доли секунды), в
течение которого ток продолжает нарастать до начала расхождения главных
контактов выключателя. Значение U определяется конструкцией
выключателя. Выключатель тем лучше, чем меньше U . Интервал 1з
характеризует начало расхождения контактов выключателя н увеличение
тока до максимального 1max. При возникновении дуги между контактами
сопротивление цепи к. з. увеличивается, а ток, достигнув Im*i, начнет
уменьшаться. Значение также определяется конструкцией выключателя. В
течение времени электрическая дуга продолжает гореть и удлиняться между
рогами дугогасительной камеры, а ток резко снижается и происходит
разрыв дуги. Интервал /з—U называют временем гашения дуги. При
чрезмерном уменьшении этого времени возможно возникновение больших
перенапряжений в процессе отключения. Уменьшение тока, отключаемого
выключателем, и облегчение процесса отключения достигаются в основном
уменьшением интервала 1г. Для большего ограничения величины /щи по
срав- HCIIWO С /уст необходимо иметь возможно меньшой интервал времени
h—ts.
Перенапряжения
и
а
расходящихся
контактах
выключателей при отключении БВ достигают 12—15 кВ.
Полное время отключения зависит от конструкции
выключателя, напряжения и индуктивности отключаемой цепи.
Разрывная мощность Б В не нормируется. Быстродействующие
выключатели могут быть поляризованными, срабатывающими
при токе определенного направления, и неполяризованными,
которые срабатывают независимо от направления тока, но в
зависимости от его значения. Применяют следующие типы БВ:
АБ-2/4, ВАБ-28 иа Н„=Зд-4 кВ, /„=2н-3 кА; ВАБ-42-6000/4 иа 6
кА и 4 кВ, /уст=2000-^-9000 А, 1ноткл== 15000 А. Выпускается
также ВАБ-43-4000/30,
/н=4000 А,
/щах откл=27 кА.
Завершается
разработка
быстродействующего
выключателя иа 6,3 кА.
Быстродействующий выключатель АБ-2/4 (рис. 48),
поляризованный, рассчитан на 2 кА и 4 кВ, используют его в
качестве фидерного и катодного. Он состоит
113
Рис. 48. Общий вид быстродействующего выключателя АБ-2/4:
1 — рама с тележкой; 2 — блок-контакты; 3 — магнитопровод н механизм включения; 4
— дугогасительная камера; 5 и 7 — шины для подключения БВ; 6 — шунт
из магнитопровода с механизмом выключения 3, дугогаеительной камеры 4 и рамы с тележкой /.
Магиитопровод (рис. 49, а) представляет собой стальной
брусок 7 с укрепленными на нем стержнем 6 и перевернутым
114
П-образным сердечником /. На верхнем сердечнике 5 шарнирно
укреплен якорь 4. Винт 2 служит для изменения воздушного
зазора при регулировке тока уставки выключателя. На стержне
6 и П-образ- ном сердечнике размещены соответственно
держащая н включающая катушки, а на левом стержне
сердечника 1 — виток главного тока, по которому протекает ток
фидера или выпрямителя. Держащая катушка непрерывно
обтекается током от аккумуляторной батареи напряжением ПО
В.
Для включения БВ подают напряжение иа включающую
катушку. Отключается БВ разрывом цепи держащей катушки,
автоматическое отключение происходит при перегрузках и к. з.
вследствие изменения потока в среднем сердечнике при
возрастании тока в размагничивающем витке.
В отключенном положении якорь 4 (см. рис. 49, а) притянут
к левому стержню сердечника 1 и удерживается пружинами и
усилием, создаваемым магнитным потоком держащей катушки.
Магнитный поток размагничивающего витка должен в среднем
стержне действовать противоположно потоку держащей
катушки (рис. 49, б). При включении БВ направление тока во
включающей катушке должно быть таким, чтобы магнитный
поток Ф.к, замыкающийся через левый стержень сердечника I и
якорь 4, был направлен встречно потоку держащей катушки
Фдк. При этом сила притяжения со стороны среднего стержня
увеличивается и якорь притягивается к нему, преодолевая
натяжение пружин. В этом случае потоки Фвк и ФдК совпадают
по направлению (см. рис. 49, б). Когда включающая катушка
обесточится, якорь удерживается во включеи-
115
Рис. 49. Магиитопровод выключателя АБ-2/4:
а — общий вид; б — направление магнитных потоков
ном положении усилием, создаваемым магнитным потоком
Фдк.
Механизм включения БВ выполняют со свободным
расцеплением, т. е. он обеспечивает автоматическое
отключение при включении БВ иа к. з. При отключении БВ
возникает мощная дуга, для гашения которой предназначена
дугогасительиая камера лабиринтио-щелево- го типа. В
камерах дуга растягивается до 4,5 м с помощью магнитного
дутья и охлаждается. По катушкам магнитного дутья
протекает главный ток. Внутри камеры имеются два
дугогаснтельных рога, а в верхней ее части —
пламегасительные
решетки,
предназначенные
для
охлаждения и деионизации пламени дуги.
Быстродействующие
выключатели
снабжают
индуктивным шунтом 6 (см. рис. 48), состоящим из медной
116
шины 7 с надетым на нее пакетом пластин из
электротехнической стали. Шунт присоединяют параллельно
размагничивающему витку главного тока. При к. з. большая
часть тока протекает через размагничивающий виток, так как
индуктивное сопротивление шуита во много раз больше, чем
витка главного тока. Резкое увеличение тока в главном витке
способствует быстрому отключению цепи даже при
сравнительно небольших значениях тока к. з.
Выключатель АБ-2/4 относится к разряду пружинно-магиитных, так как он отключается под действием
натяжения пружин и магнитных сил. Выключатель ВАБ-28 —
поляризованный, используется в качестве катодного для
защиты выпрямителя и в питающих линиях в качестве
фидерного. Он имеет две дугогасительные камеры с двойным
разрывом
цепи.
Выключатель
ВАБ-43
—
также
поляризованный.
Шины и кабели на тяговых подстанциях предназначены
для соединения аппаратов. Шины укрепляют на изоляторах, а
кабели прокладывают в земле или на специальных
конструкциях. Шины закрытых РУ выполняют жесткими, а
открытых — гибкими. Материалом шии служит медь,
алюминий. Медные шины применяют в установках большой
мощности, а алюминиевые— в установках различных
напряжений. В закрытых установках используют шины
прямоугольного, коробчатого и другого сечения. При больших
токах устанавливают шииы, состоящие из нескольких
параллельных полос, соединенных в пакет, с прокладками
между ними, равными толщине полосы.
Соединяют шины встык с помощью сварки, внахлестку,
применяя болтовое соединение или давление. Шины
располагают в горизонтальной, вертикальной или наклонной
плоскостях, а по отношению одна к другой — плашмя или на
ребро. Жесткие шииы окрашивают, при переменном токе фазу
А красят в желтый цвет, фазу В—
in
в зеленый, фазу С — в красный, нулевые шины — в ■белый
или фиолетовый цвет. При постоянном токе шину
положительной полярности «плюс» красят в красный цвет, а
шииу отрицательной полярности «минус» — в синий. Гибкие
шины в РУ выполняют из многопроволочных алюминиевых
или сталеалюминиевых проводов, а иногда и медных. Эти
шины не окрашивают. Выбирают шииы по току, с
последующей проверкой жестких шин на динамическое и
термическое действие токов к. з., а гибких в установках свыше
ПО кВ — по условиям коронироваиия и на схлестывание.
Кабели применяют силовые и контрольные (см. параграф
8). Длина кабелей на подстанции, достигает 4—7 км.
Изоляторы служат для крепления шнн и изоляции их от
заземленных частей. Крепят жесткие шииы иа опорных
изоляторах, а гибкие — на штыревых и подвесных. При
проходе шин через стены и междуэтажные перекрытия
устанавливают проходные изоляторы. Опорные изоляторы на
напряжение до 35 кВ изготовляют пяти серий: А, Б, В, Д, Е.
Изоляторы каждой серин подразделяют по напряжению и
разрушающей нагрузке. Выбор изоляторов осуществляют по
номинальному напряжению, месту установки и нагрузкам,
действующим на изолятор при к. з.
15. Заземляющие устройства
Заземляющие устройства состоят из заземлителей,
имеющих хороший контакт с землей, и проводников,
соединяющих заземленные части электроустановок с заземлителями. Различают рабочее и защитное заземления.
Заземление нейтралей генераторов, трансформаторов,
разрядников является рабочим: оио необходимо для работы
электроустановки в нормальных или аварийных режимах.
118
Защитные
заземления
устраивают
для
защиты
обслуживающего персонала и посторонних людей от
появления
опасного
напряжения
на
конструкциях
оборудования, нормально не находящегося под напряжением.
К защитному заземлению присоединяют корпуса машин,
аппаратов,
приборов,
силовых
и
измерительных
трансформаторов, выключателей, металлические конструкции
РУ и другие устройства, которые нормально не находятся под
напряжением, но могут оказаться под ним при повреждении
изоляции. При наличии заземляющего устройства в случае к.
з. иа корпус аппарата ток потечет в землю через это
устройство. Тогда человек, касающийся поврежденной части
установки, окажется шунтированным во много раз меньшим
сопротивлением и через него пройдет ток, не опасный для его
жизни. Заземление обязательно для электроустановок 500 В и
выше, а в помещениях с повышенной опасностью и особо
опасных и в наружных установках — при напряжении 36 В
переменного тока. На тяговых подстанциях рабочее и
защитное заземление объединяют.
Рассмотрим, как изменяется потенциал при перекрытии
изолятора
масляного
выключателя
в
системе
с
грузозаземлеиной нейтралью (рис. 50, а). Ток замыкания на
землю протекает через бак 1 выключателя, заземляющее
устройство и далее в землю. Наибольшее падение напряжения
происходит иа участке стекаиия тока с заземлителей в грунт
(70% падения напряжения приходится иа расстоянии 1 м от
заземлителя). По мере удаления от заземлителя потенциал
убывает и иа расстоянии 20 м практически становится равным
нулю. Человек, коснувшийся рукой поврежденного
выключателя, окажется под разностью потенциалов (грунта и
заземлителя), называемой напряжением прикосновения t/nP.
Так как разные точки поверхности земли могут оказаться под
разными потенциалами, то человек, находящийся в зоне
изменения этого потенциала, ногами
ИЗ
I — бак выключателя; 2
Рис. 50. Распределение
потенциала
—
л!
подстанции; 5заземлителей иа при к. з. на землю (а); схема
—
заземляющего устройства подстанции
(б):
стальная шнна; 3 — заземлнтели; 4 — здание
внутренний контур заземления
ОРУ
окажется под разностью потенциалов, называемой
напряжением шага Иш. Эти напряжения не должны
превышать
допустимого
значения
для
данной
электроустановки.
При расчете и выполнении заземляющих устройств
стремятся к более равномерному распределению потенциала
на площади установки, чтобы уменьшить значения £Упр и
Um, с целью повышения безопасности обслуживания.
Достигается
это
соответствующим
размещением
заземлителей,
созданием
контуров,
охватывающих
электроустановку, и устройством сетки из стальных полос.
Сопротивление заземляющего устройства гэ зависит от
тока замыкания на землю, удельного сопротивления грунта,
геометрических размеров заземлителей и других факторов.
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ)
сопротивление г, <0,5 Ом в тех установках, где ГУ> 1000 В и
/кэ>50Р А; в случае если {/<1000 В, то для установок
мощностью S>100 кВ-A сопротивление
120
г3<4 Ом, а для S<100 кВ-A это сопротивление г3<10 Ом.
Конструктивно защитное заземление на подстанции
выполняют в виде контура, состоящего из заземлите- лей —
труб диаметром 50 или 60 мм и толщиной стенки не менее 3,5
мм или уголков 50X50X4 длиной 2,5—3 м, забитых в землю на
площади и вокруг открытого РУ (ОРУ) и закрытой части
подстанции (рис. 50, б). Заземлители соединяют сеткой из
стальных полос, прокладывают их на глубине
0,7—0,8 м.
Стальные полосы сваркой соединяют с верхней частью
заземлителей. Сетки выравнивают потенциал при к. з. на
площади ОРУ и создают удобства присоединения всех
заземляющих
конструкций
к
заземляющему устройству.
Количество
з
С,*!
(17)
аземлителей /1
где Ra — сопротивление растеканию тока одиночного заземлнте- ля, Ом;
— допустимое сопротивление заземления, Ом;
Ч — коэффициент использования заземлителей; к — коэффициент,
учитывающий промерзание грунта зимой и просыхание грунта летом.
В закрытых помещениях подстанций для заземления
аппаратов, приборов, конструкций прокладывают магистрали
заземления в виде стальных полос, окрашенных в черный цвет.
Их прокладывают на стенах в местах, доступных для осмотра и
присоединения заземляющих проводников от аппаратов и
конструкций. Внутренний заземляющий контур соединяют
стальными полосами с наружным.
Для выравнивания потенциала и обеспечения безопасности
обслуживающего персонала на подстанциях переменного тока
вывод с тяговой обмотки трансформатора соединяют с
контуром заземления и с рельсами
121
железнодорожного пути. Металлические оболочки всех
кабелей, выходящих с территории подстанции, соедини ют с
заземляющим контуром. На подстанциях постоянного тока
рельсовый тупик ие заземляют, а во избежание выноса
опасного потенциала с территории подстанции в рельсах за
пределами ее устраивают изолирующие стыки.
Контур заземления в помещениях преобразователен, РУ
постоянного тока, щита управления и сглаживающего
устройства выделяют в отдельный и соединяют с наружным в
двух точках стальными шинами. На этих шинах устанавливают
реле земляной защиты, которая при замыкании на землю в РУ
постоянного тока отключает агрегаты и БВ питающих линий
(фидеров) контактной сети.
16. Релейная защита
Общие сведения. Релейной защитой называют устройство,
состоящее из одного или нескольких реле, реагирующих на
ненормальные режимы работы в системе. Защита воздействует
на выключатели, и они отключают те элементы электрической
цепи, которые опасно оставлять в работе. Она также
сигнализирует о начале ненормального режима работы (о
перегрузке, утечке масла из трансформатора и т. п.). Помимо
этого, релейную защиту совместно с устройствами автоматики
используют для автоматического повторного включения
(АПВ) линий, агрегатов и автоматического ввода резерва в
работу (АВР).
Релейная защита должна обладать селективностью,
быстродействием, чувствительностью и надежностью в
работе. Селективность защиты заключается в том, что при
срабатывании ее отключается только поврежденный участок, а
неповрежденные
элементы
остаются
в
работе.
Быстродействие защиты крайне необходимо, так как при
снижении времени отключения поврежденного элемента
уменьшаются размеры его разрушения nptr к. з. и повышается
122
устойчивость работы системы. Под чувствительностью
понимается способность защиты реагировать на все виды
повреждений и ненормальных режимов в самом начале их
возникновения. Защита должна быть надежной, т. е. не должно
быть случаев неправильного действия и отказов ее при
ненормальных режимах работы в системе.
Реле — это прибор, реагирующий на изменениеопределенного параметра, характеризующего режим работы
установки. Различают реле электрические и ие- электрические.
К последним относятся газовые, термические и др.
По способу воздействия на выключатель реле бывают
прямого и косвенного действия. Первые воздействуют
непосредственно на запирающий механизм выключателя, оии
громоздки и недостаточно чувствительны. Реле косвенного
действия имеют малые размеры и на привод выключателя
воздействуют через вспомогательную цепь. Реле могут иметь
замыкающие и размыкающие контакты.
Для питания катушек реле косвенного действия необходим
независимый источник постоянного или переменного тока. На
подстанциях я электростанциях к качестве источника
оперативного тока чаще всего применяют аккумуляторную
батарею. Источниками переменного оперативного тока
являются измерительные трансформаторы тока и напряжения,
промежуточныетрансформаторы
(насыщающиеся)
и
трансформаторы' собственных нужд.
Наибольшее применение получили электромагнитные реле
(рис. 51). Их используют в качестве токовых реле, напряжения,
времени, промежуточных и сигнальных. Работа индукционных
реле основана иа взаимодействии двух магнитных потоков,
оии срабатывают в ре-
123
Рис. 51. Электромагнитные реле клапанного (о), соленоидного (б) типов
и с вращающимся якорем (в):
1 — стальной сердечник; 2 — якорь; 3 — контакты
зультате поворота медного или алюминиевого диска. Их
.применяют в качестве реле токовых, направления мощности и
дифференциальных токовых.
Реле характеризуется номинальным током и напряжением,
током или напряжением трогания (срабатывания) и возврата,
коэффициентом
возврата,
видом
автоматических
характеристик (независимая и ограниченно зависимая),
потребляемой мощностью. При независимой характеристике /
(рис. 52) реле имеет постоянное время срабатывания, не
зависящее от тока, а время срабатывания реле с ограиичеиио
зависимой характеристикой 2 зависит от тока в обмотке реле
(реле индукционные) .
Для указания типа реле в схемах защиты применяют
соответствующие буквы: РТ — реле тока, PH — напряжения,
РМ — мощности, PC — сопротивления, РУ— указательное, РВ
— времени, РП — промежуточное. РГ — газовое, ТС —
температурное и т. п.
Применяют защиты, построенные на полупроводниковых
приборах (диодах, транзисторах, тиристорах). Такие реле не
имеют контактов и подвижных элементов. По сравнению с
электромеханическими реле у них
124
меньше
размеры,
ниже
потребляемая мощность, выше
чувствительность,
лучше
характеристики.
Релейные
защиты
предназначены для зашиты
электрических
сетей,
генераторов, трансформаторов
и
других
элементов
электрических установок. Существует большое количество
различных видов релейных защит. Выбор защиты определяется
конструкцией сети (воздушная,
кабельная) ^
конфигурацией, напряжением сети, режимом работы, способом
заземления нейтрали и другими факторами.
Виды защит. Различают следующие виды защит: токовые,
действующие при увеличении тока в защищаемой цепи (могут
быть направленными и ненаправленными, с выдержкой времени
и без нее); дифференциальные, реагирующие на разность токов
на концах защищаемого элемента (могут быть направленными и
ненаправленными);
дистанционные
направленные
и
ненаправленные с выдержкой времени, которая определяется
расстоянием от места защиты до места повреждения;
высокочастотные и специальные.
Максимальная токовая защита может быть выполнена
трех- и двухфазной (рис. 53, а, б). Трехфазная защита состоит из
трех электромагнитных токовых реле РТ-40 с замыкающими
контактами, присоединяемых к вторичным обмоткам
трансформаторов тока ТТ, соединенных в звезду. При к. з., или
перегрузке ток во вторичной обмотке хотя бы одного
трансформатора возрастет и в катушке одного из реле РТ ток
станет больше тока срабатывания. Реле замкнет контакты
вторичной цепи и подаст питание на промежуточное реле РП.
Последнее своими контактами замкнет цепь ка-
125
Фис. 53. Трехфазная (а) и двухфазная (б) максимальная токовая
мгновенная защита
тушки отключения выключателя КО и выключатель
-отключится.
Контакты токовых реле маломощны, поэтому здесь
использовано промежуточное реле с более мощными
контактами. Указательное реле РУ сигнализирует о
срабатывании защиты. Такую защиту применяют в системах с
заземленной нейтралью.
Для сетей с изолированной нейтралью (6; 10 кВ)
применяют защиту в двухфазном исполнении с двумя
токовыми реле (см. рис. 53, б). Срабатывает она толь- тсо при
двух- или трехфазиых к. з. В случае замыкания •одной фазы на
землю ток мал и тогда применяют специальную защиту от
замыкания на землю.
Максимальная токовая защита без выдержки времени
предназначена для быстрого отключения токов к. з. и может
быть использована в сетях любой конфигурации.
Избирательность действия ее в сетях с односторонним
питанием осуществляется настройкой токовых реле на
различные токи срабатывания /ср. Ток ;/Ср должен быть
меньше тока к. з. на данном участке,
126
На
но больше тока к. з. на
сигнал
участке, отстоящем дальше
от источника питания.
При к. з. защита
отключает
(отсекает)
участок,
на
котором
произошло к. з., и участки,
расположенные за ним.
1 V^PT^PT^PT
Такая защита получила
название токовой отсечкиТоковая отсечка позволяет
осуществить защиту только
части участка (25—75%),
ЧлТв \с
что
является
ее Рис. 54. Максимальная токовая защита
недостатком.
Время с независимой выдержкой^ времени
действия
защиты
и
выключателя
составляет
0,05—0,1 с.
Максимальная токовая защита с независимой выдержкой
времени отличается от предыдущей защиты. наличием реле
времени типа ЭВ-112 с часовым механизмом (рис. 54). Такая
защита производит отключение с выдержкой времени, на
которую отрегулировано- реле времени независимо от
значения тока к. з. и удаленности от места повреждения.
Избирательность действия защиты достигается различной
выдержкой времени. При радиальной сети, состоящей,
например, из трех участков, выдержка времени защиты
наиболее удаленной от источника питания линии будет самой
минимальной t\. Зашита каждой следующей более близкой к
источнику питания линии будет иметь выдержку времени,
большую иа At, чем защиты предыдущей линии. Величину At
называют ступенью выдержки времени. Так, защита второй
линии будет иметь выдержку време ни t2=ti+At, а третьей
линии <з = <2+А* н т. д. Ступень- времени для смежных
fc F'r'r'J.
:ЙЕ
127
участков составляет 0,5—0,6 с..
128
Токовые защиты с ограниченно зависимой выдержкой
времени выполняют с индукционными реле РТ-80, РТ-90. При
к. з. и перегрузках защита срабатывает и отключает цепь через
определенное время, зависящее от тока в обмотках реле и его
настройки. Поэтому реле времени здесь не используют.
Ступень времени защиты принимают равной не менее 0,7 с с
учетом инерционного выбега реле. Индукционные реле имеют
также дополнительные электромагнитные устройства,
обеспечивающие срабатывание реле при больших токах без
замедления. Токовая защита с электромагнитным реле
допускает больший диапазон выдержек и является более
точной, чем с индукционными.
Для перечисленных защит необходим оперативный ток. В
электроустановках, не имеющих источников постоянного тока,
для токовых защит могут быть использованы источники
переменного тока (рис. 55, а).
При к. з. срабатывают токовые реле Т/В с ограниченно
зависимой выдержкой времени и своими контактами замыкают
цепь специального насыщающегося трансформатора Тр,
включенного в цепь трансфор-
Рис. 55. Максимальная токовая
защита с оперативным переменным
током (а) и защита от замыкания на
землю (б)
129
матора тока ТТ. Это приводит к протеканию тока в
отключающей катушке КО выключателя В и отключению
последнего. При этом необходима специальная аппаратура
(реле, трансформатор, привод и т. п.).
Защиту замыканий на землю (рис. 55, б) применяют для
быстрого отключения линии при однофазном к. з. в сетях с
заземленной нейтралью. Эта защита более чувствительна, чем
максимальная токовая. Реле тока РТ включают на фильтр токов
нулевой последовательности. При двух- и трехфазных
замыканиях, а также в нормальном режиме через реле
протекает только ток небаланса (0,1—1 А), обусловленный
различием характеристик трансформаторов тока ТТ, и защита
не работает. В случае замыкания одной фазы на. землю ток в
реле возрастает и защита срабатывает. Для обеспечения
избирательности защиту дополняют реле времени РВ, а для
повышения ее чувствительности применяют специальные
трансформаторы тока ТТ (с буквой 3 — для земляной защиты).
В сетях с изолированной нейтралью токи однофазного
замыкания невелики и не отражаются
на питании потребителей (см. параграф
10). В таких сетях применяется такая же
защита от замыканий на землю, но,
срабатывая, она воздействует иа сигнал.
Вместо реле времени используется
промежуточное реле.
Дифференциальная
защита
предназначена для защиты генераторов,
трансформаторов, ВЛ (рис. 56).
Трансформаторы
тока
соединены
последовательно, а токовое реле
подключено к ним параллельно.
Рис. 56.
Принципиальная
схема
дифференциальной
токовой защиты
Прн нормальном режиме работы или к. з. за пределами
защищаемой зоны в точке KI токи во вторичных об- .мотках
трансформаторов 777 и ТТ2 равны, разность их /,—/2=0 (защита
не срабатывает). При к. з. в защищаемой зоне (точка К2) и
одностороннем питании (от А к В) через реле РТ будет
протекать ток /р=Л (от трансформатора ТТ1). Если Л больше
тока срабатывания реле, защита отключит выключатели В/ и
В2. То же самое произойдет при двустороннем питании (от А и
от В) н к. з. в зоне защиты (точка К2). В этом случае через
катушку реле протекает ток /P=/i+/2.
В
действительности
из-за
некоторого
различия
характеристик трансформаторов тока при нормальном режиме
и сквозных к. з. через реле будет протекать ток .небаланса. Для
повышения чувствительности защиты и уменьшения токов
небаланса устанавливают специальные трансформаторы тока с
сердечником типа Д и насыщающиеся промежуточные
трансформаторы НТТ и БИТ. Они позволяют отстроиться от
токов
небаланса,
■обеспечивая
необходимую
чувствительность защиты.
Дифференциальная защита линий может быть продольной
и поперечной. В продольных защитах сравниваются токи с
двух сторон защищаемой линии. Для осуществления такой
защиты необходимо прокладывать кабель или воздушные
провода, связывающие трансформаторы тока. Продольную
применяют для защиты кабельных и воздушных линий
электропередачи протяженностью до 10—15 км. Поперечную
дифференциальную защиту используют для параллельных
линий. Работа ее основана на сравнении токов этих линий.
Максимальную направленную защиту используют в
кольцевых сетях с одним источником питания или сетях с
двусторонним питанием. Ее выполняют на токовых реле, реле
направления мощности и реле времени. Пусковым органом
является токовое реле. Избирательность действия защиты
обеспечивается подбором тока
ш
131
трогания
токового
реле,
выдержек
времени
реле
времени
и
направления
мощности при к. з.
Выдержки времени защит в
таких сетях выбирают по встречио-ступенчато- му принципу
(рис. 57): по р„с 57 схема выдержки вре- каждому направлению их
мени направленной токовой принимают возрастающими
защиты
по мере приближения к источнику питания. Наиболее
удаленная защита имеет минимальную выдержку 0,5 с. Защита
срабатывает при определенном направлении мощности — от
шии подстанции в сторону защищаемой линии.
Защита силовых трансформаторов. Трансформаторы
мощностью 100—400 кВ-А с вторичным напряжением 400/230
или 230/133 В защищают плавкими предохранителями иа
первичной стороне и воздушными выключателями на
вторичной. При больших мощностях применяют релейные
защиты (максимальную токовую дифференциальную), а для
маслоиаполиеииых трансформаторов — еще газовую и
температурную защиты.
С
помощью
максимальной
токовой
защиты
трансформаторы защищают от внешних к. з„ внутренних междуфазных к. з. и перегрузок. При выдержке времени этой
защиты более 0,7 с устанавливают дополнительно токовую
отсечку. Для отключения без выдержек времени при к. з.
внутри трансформатора мощностью 6300 кВ-А и выше
применяют дифференциальную защиту (см. рис. 56). Она имеет
ряд
особенностей
по
сравнению
с
продольной
дифференциальной защитой линий.
Если соединение обмоток защищаемого трансформатора
выполнено по схеме звезда—треугольник, то
токи со стороны первичной н вторичной обмоток оказываются
сдвинутыми по фазе иа угол 30° Для компенсации этого сдвига
трансформаторы тока, устанавливаемые со стороны обмотки,
соединенной в звезду, соединяют треугольником, а со стороны
обмотки трансформатора, соединенной треугольником, — в
звезду.
С
целью
уменьшения
влияния
бросков
намагничивающего тока включают быстронасыщающиеся
трансформаторы
тока
в
провода,
соединяющие
последовательно трансформаторы тока. Защиту выполняют на
токовых и промежуточных реле.
Газовую защиту применяют иа маслонаполненных
трансформаторах мощностью 630 кВ-А и выше с целью
выявить повреждения, сопровождающиеся разложением
изоляции обмоток и выделением газа, попаданием воздуха в
кожух трансформатора и утечкой трансформаторного масла.
Газовое реле состоит из цилиндрического чугунного
резервуара / (рис. 58, а), устанавливаемого в разрез трубы 2
(рис. 58, б), которая соединяет трансформатор с расширителем
5. Внутри корпуса реле расположены две стеклянные колбочки
4 с ртутью и впаянными в них контактами 3. При нормальной
работе трансформатора ртуть в колбочках не замыкает
контакты. Если в траис-
Рис. 58. Конструкция (а) и схема установки (б) газового реле
126
форматоре происходит выделение газа, последний поднимается
вверх и накапливается в верхней части реле, вытесняя масло.
Верхняя колбочка поворачивается, ртуть замыкает контакты
133
реле, воздействующие иа световой или звуковой сигнал. При
дальнейшем выделении газа нижняя колбочка поворачивается,
контакты замыкаются, промежуточное и указательное реле
включают цепь на отключение трансформатора. Колбочки
имеют устройства в виде грузиков для регулировки уставки
реле на срабатывание. На верхней крышке реле предусмотрен
кран, через который выпускают газ и проверяют его на цвет и
вспышку. Для свободного прохода газов трансформатор и
труба должны иметь подъем 2% о в сторону расширителя.
Защита питающих линий контактной сети. Максимальный
ток нагрузки часто бывает близок к минимальному току к. з. и
даже превышает его. Это обстоятельство, а также
неравномерность нагрузки фаз питающей энергосистемы от
каждой тяговой подстанции, несим- метрия напряжений,
наличие в кривых тока и напряжения высших гармонических и
другие факторы затрудняют использование обычных релейных
защит иа дорогах переменного тока.
На питающих линиях, когда ток к. з. больше тока нагрузки,
применяют токовую отсечку с реле типа РТ. Если защита не
обеспечивается, устанавливают дополнительно блокировку по
напряжению цепи или дистанционную защиту с реле
сопротивления.
При
наличии
на
участке
поста
секционирования осуществляют блокировку выключателей
подстанции и поста секционирования, питающих одну и ту же
фидерную зону.
На дорогах постоянного тока для защиты питающих линий
контактной сети служат быстродействующие выключатели (см.
параграф 14).
17. Собственные нужды тяговых подстанций
Цели собственных нужд состоят из трансформаторов
собственных нужд (ТСН), распределительного устройства н
распределительных сетей, аккумуляторной батареи 110 илн 220
В и ее зарядного устройства. Они предназначены для питания
нагрузок подстанции и вспомогательных устройств агрегатов.
На подстанциях устанавливают два трансформатора ТСН
мощностью 100—400 кВ-A со вторичным напряжением
230/133 или 400/230 В. Их подключают к системам шин 6 и 10
кВ или 35 кВ на подстанциях постоянного тока н к шинам 27,5
кВ на подстанциях переменного тока (см. рис. 23 и 24). От шин
переменного тока, разделенных на две секции (рис. 59),
получают питание ВЛ СЦБ, силовая нагрузка подстанции, цепи
собственных нужд агрегатов, освещение подстанции, зарядный
и подзарядный агрегаты аккумуляторной батареи и другие
потребители. Иногда от этих же шин питается жилой дом
работников подстанции и дистанции контактной сети.
Шнны постоянного тока 110 В разделены на три секции и
получают питание от аккумуляторной батареи и подзарядного
устройства. От этих шин напряжение подается на включающие
и отключающие электромагниты приводов выключателей,
включающие н держащие катушки БВ, цепи управления и
сигнализации, а также цепи аварийного освещения. Аварийное
освещение предусматривается в машинном зале, в помещениях
щита управления, аккумуляторной и РУ Контроль изоляции
шин постоянного тока осуществляется двумя вольтметрами.
На вводах трансформаторов ТСН, на ВЛ СЦБ и линиях
других потребителей производится учет энергии. В случае
повреждения рабочего ТСН предусматривается автоматическое
включение резервного.
Рис. 59. Схема питания собственных нужд тяговой подстанции
Аккумуляторную батарею напряжением НО В
комплектуют из свинцовых аккумуляторов С и СК
(стационарные, кратковременного разряда). При эксплуатации
аккумуляторной батареи принимают режим постоянного
подзаряда, прн котором батарея, подзарядный двигатель —
генератор
или
выпрямительная
установка
работают
параллельно на шины ПО В. Постоянные нагрузки полностью
обеспечиваются подзарядным устройством. Аккумуляторная
же батарея воспринимает на себя большую толчковую
нагрузку: включение масля- '/г 5—5128
129
ных
и
136
быстродействующих выключателей (80—450 А). В таком
режиме работы сульфатация пластин меньше, а срок службы
батареи больше.
Для поддержания постоянного напряжения на шинах 110 В
и возможности одновременно заряжать батарею применяют
двойной элементный коммутатор. Разрядная рукоятка 1 (см.
рис. 59) служит для присоединения дополнительных
аккумуляторов при разряде, а зарядная рукоятка 2 — для
подключения
аккумуляторов
при
заряде.
Выбор
аккумуляторной батареи заключается в определении
необходимого числа аккумуляторов в ней и ее емкости.
Минимальное напряжение прн разряде на аккумуляторе не
должно быть меньше 1,83 В, в конце заряда оно достигает 2,7 В,
устойчивое значение 2,2 В.
На подстанциях устанавливают аккумуляторную батарею
при [/=110 В, состоящую из 66 аккумуляторов. Начиная с 46-го
аккумулятора каждый имеет соединение с соответствующими
пластинами элементного коммутатора. На подстанциях, где
используют оперативный переменный ток, применяют батареи
малой емкости — щелочные типа КН или кислотные АБН. Они
работают в режиме постоянного подзаряда с выпрямительным
устройством, а глубокий их подзаряд производят в мастерских
участка энергоснабжения.
На тяговых подстанциях устанавливают дизель-генераторы
мощностью 48—75 кВт, при выходе из строя ВЛ, питающих
подстанцию, они обеспечивают напряжением 127—220 В
устройства автоблокировки и собственные нужды подстанции.
18. Конструктивное выполнение тяговых подстанций
По конструктивному выполнению тяговые подстанции
могут быть с закрытым, открытым и смешанным
распределительным устройством. На закрытых подстаи-
циях все оборудование находится внутри здания, на
открытых размещается на открытой территории. Смешанные
подстанции имеют закрытую и открытую части. В закрытом
помещении устанавливают оборудование и аппаратуру,
которые не могут обеспечить нормальную работу в условиях
значительных изменений температуры, наличия осадков и
загрязнения воздуха. На открытой части размещают остальное
оборудование.
Подстанции постоянного тока с питающим напряжением 6
н 10 кВ выполняют закрытыми, а напряжением 35, 110 и 220 кВ
— открытыми н смешанными. При тяжелых климатических
условиях (гололед, снежные заносы) н наличии вредных газов,
песчаных заносов подстанции постоянного тока выполняют
закрытыми. В случае территориального совпадения подстанции
с дежурным пунктом дистанции контактной сети здание для
них используют одно. Такую подстанцию называют
совмещенной. Территорию подстанции ограждают плотным
забором высотой 2,5 м, чтобы на нее и в РУ не могли
проникнуть домашние птицы и животные. На территорию
подстанции от путей станции подводят железнодорожный путь
для подвоза тяжелого оборудования, а при совмещенной
подстанции сооружают подъездной путь в гараж дистанции
контактной сети (ЭЧК). На территории подстанции имеются
проезды шириной не менее 3,5 м.
Распределительное устройство 27,5; 35; 110; 220 кВ
выполняют открытого типа (ОРУ). Все оборудование ОРУ
(трансформаторы, разъединители, выключатели и т. п.)
устанавливают на фундаментах или на конструкциях. Каждое
РУ состоит из системы шин и отдельных ячеек: ячейки вводов,
районных или тяговых трансформаторов, трансформаторов
напряжения.
Открытая часть
подстанции
защищена
молниеотводами. Кабели, соединяющие оборудование ОРУ с
щитом управления в здании подстанции, уложены в каналах,
которые уст-
Vs5*
138
Рис. 60. Камеры КСО ввода или фидера 6 и 10 кВ:
/ — привод разъединителя; 2 — привод выключателя; 3, — линейный разъединитель; 4
— трансформатор тока; 5 — выключатель; 6 — шинный разъединитель; 7 — опорный
изолятор сборных ШИН; 8 — светильник коридора ровны в земле или на
поверхности
земли.
Открытая
часть
освещается
прожекторами.
В закрытой части подстанции размещены РУ 3.3 кВ,
преобразовательные
агрегаты,
щит
управления,
аккумуляторная и вспомогательные помещения. Здание
подстанции переменного тока имеет небольшую площадь.
Распределительные устройства РУ 6 и 10 кВ могут 132
139
200 250 250 и на открытой части
располагаться в закрытом помещении
подстанции в виде камер комплектного РУ. Камеры
изготовляются на заводе и доставляются на подстанцию в
собранном виде. Камера КСО (комплектная, сборная,
одностороннего обслуживания) показана на рис. 60. Имеются
новые конструкции КРУ, обеспечивающие надежную работу н
безопасность
обслуживания.
Применяют
КРУ
с
выключателями с электромагнитным гашением дуги, с
изолированными токоведущими частями и вакуумными
выключателями.
19. Организация эксплуатации и техника безопасности на
тяговых подстанциях
Цель эксплуатации — обеспечить бесперебойное
электроснабжение всех потребителей и рациональное
использование электрооборудования. Для оборудования
подстанций установлены следующие виды работ: техническое
обслуживание, текущий ремонт, капитальный ремонт и
профилактические испытания. На все этн виды работ
составляют графики. Техническое обслуживание, ремонты н
испытания выполняют персонал самой подстанции, а
частично
—
специализированные
бригады
ремонтно-ревизионного цеха (РРЦ) участка энергоснабжения.
Штат подстанции с ручным управлением при дежурстве в
одно лицо и частичной автоматизации составляет 9—11 чел., а
автоматизированных и телеуправляемых с дежурством на
дому — 5 чел.
Подстанции имеют селекторную и телефонную связь с
диспетчером участка энергоснабжения, а на некоторых
дорогах и с диспетчером энергосистемы. К работе на
подстанции допускают лнц, прошедших испытания н
получивших удостоверение о проверке знаний техники
безопасности. Все работы в установках высокого напряжения
выполняют по наряду и двумя лицами.
Чтобы предупредить поражение электрическим током
персонал, работающий на подстанциях, применяет различные
защитные средства: резиновые перчатки, боты, галоши,
коврики, указатели напряжений, переносные заземления,
штанги, набор предупредительных плакатов, переносные
ограждения, защитные очки, противогазы. Пользоваться
можно только исправными защитными средствами.
Необходимо также знать и соблюдать противопожарные
правила.
В электроустановках должны быть в достаточном
количестве и в исправном состоянии противопожарные
средства: песок, лопаты, углекислотные огнетушители.
Пожарные проезды на открытой части подстанции запрещено
загромождать. При возникновении пожара горящее
оборудование нли устройство должно быть отключено, а затем
уже приняты меры по тушению пожара. Для аппаратуры или
токоведущих частей, находящихся под напряжением, при
гашении огня следует пользоваться углекислотными
огнетушителями. Каждый работник подстанции должен уметь
оказывать первую помощь пострадавшему.
КОНТАКТНАЯ СЕТЬ
20. Системы контактной сети. Классификация подвесок
Контактная сеть электрифицированных железных дорог
состоит из воздушной подвески, опорных и поддерживающих
конструкций. К последним подвешены контактные, несущие н
усиливающие провода и различные вспомогательные
устройства. По конструкции контактные сети постоянного
тока 3000 В и однофазного переменного тока 25 кВ имеют
много общего и отличаются только лишь уровнем изоляции.
На дорогах переменного тока вследствие меньших токов
поездов площадь сечения проводов контактной сети меньше.
Контактная сеть работает в тяжелых условиях: резкие
изменения температуры воздуха, ветер, гололед, грозы.
Тяговый ток нагревает ее провода. Контактная сеть не имеет
резерва. Поэтому для обеспечения ее надежности при
проектировании
и
строительстве
предусматривают
повышенные коэффициенты запаса прочности — от 2 до 4.
Кроме того, контактную сеть секционируют, т. е. разделяют на
отдельные секции, изолированные в механическом и
электрическом отношении друг от друга, что обеспечивает
удобство ее эксплуатации^
Стоимость устройств контактной сети составляет
30—35% общей суммы капитальных вложений в
электрификацию дорог (без стоимости электроподвижного
состава), или 16—18 тыс. руб. на 1 км однопутного участка.
Устройства контактной сети должны удовлетворять
следующим требованиям:
обеспечивать бесперебойный токосъем при максимальных
скоростях движения в любых атмосферных условиях;
142
Г л а в а т р е т ь обеспечивающую
я
иметь простую конструкцию,
быстрое
восстановление сети при повреждениях и наименьшую зону
повреждения;
противостоять
действию
климатических
и
эксплуатационных факторов;
обеспечивать наименьшие расходы на эксплуатационное
обслуживание;
иметь длительные сроки службы;
стоимость устройств контактной сети должна быть
возможно меньшей./
С начала развития электрической тяги наметились две
системы контактной сети; контактный рельс и воздушная
подвеска. В Советском Союзе контактный рельс используют
только в метрополитенах (описание конструкции рельса см. на
с. 138).
На электрифицированных железных дорогах применяют
воздушные контактные подвески. Их разделяют на простые и
цепные. Простая подвеска состоит из провода, подвешенного
к поддерживающим конструкциям, расположенным друг от
друга на расстоянии длины пролета (30—40 м). Ее используют
в трамвайных, троллейбусных сетях и на второстепенных
путях станций железных дорог, где скорость движения не
превышает 35—40 КМ/Ч.
Для высоких скоростей служат цепные подвески (рис. 61),
в которых контактные провода подвешивают на струнах к
несущему тросу. Трос крепится через изоляторы к
поддерживающим конструкциям. Для фиксации контактного
провода относительно оси токоприемника и предотвращения
отклонения его при ветре на опорах устанавливаются
фиксаторы.
Цепные подвески классифицируют по ряду признаков:
по способу подвешивания контактных проводов к
несущему тросу — одинарные (рис. 61) и двойные (см. рис.
69); в двойной подвеске контактный провод под-
143
Длина пролета
Рис. 61. Схема цепной подвески:
1 — консоль; 2 — изолятор; 3 — фиксатор; 4 — струна:
контактный'
провод; 6 — несущий трос
5
~
вешивают к несущему тросу через промежуточный трос;
по способу натяжения проводов — некомпенсированные,
полукомпенсированные и компенсированные;
по типу струн, расположенных у опор, — с простыми и
рессорными струнами;
по расположению проводов подвесок в плане на прямых
участках пути — вертикальные, полукосые, косые- и
ромбовидные; на кривых участках—хордовые и косые.
Для съема тока с контактной сети на электровозах, и
моторных вагонах предназначаются токоприемники. Качество
токосъема зависит от типа и состояния подвески,
характеристики токоприемника, климатических^ условий,
скорости движения поездов н других факторов.
Доройте условия токосъема будут в том случае,, если
токоприемник при движении по контактному проводу в
пролете сохраняет неизменное положение по высоте, а
нажатие его на провод остается постоянным. Для: выполнения
этого необходимо, чтобы:
стрела провеса контактного провода была наименьшей, а
масса подвески, связанная с контактным проводом,
наибольшей;
144
эластичность контактной подвески в пролете оставалась
равномерной, т. е. одно и то же нажатие токоприемника
вызывало во всех точках одинаковое отжатие контактных
проводов;
число сосредоточенных масс и жестких точек на
контактном проводе было возможно меньшим;
подвеска не сдвигалась бы от оси пути под действием
ветра;
нажатие токоприемника было достаточным для
безыскрового токосъема, токоприемник обладал наименьшей
массой, так как в этом случае силы инерции, а также -силы
трения в шарнирах токоприемника будут наимень- ШИ1
,
)стая
подвеска
перечисленным
требованиям
не
удовлетворяет. Поэтому на железных дорогах СССР
применяются цепные подвески, обеспечивающие хорошие
условия токосъема и позволяющие реализовать высокие
скорости движения поездов.
Широко используют цепные подвески, в которых
поддерживается неизменным натяжение проводов; применяют
двойные цепные подвески и двойные контактные провода,
обеспечивающие увеличение массы контактного провода и
более спокойную работу токоприемнику. Подвески с
рессорной струной создают равномерную •эластичность
контактной сети. Сочлененные фиксаторы и безболтовые
клеммы уменьшают сосредоточенные массы и число жестких
точек на контактной сети.
Контактным
называют
дополнительный
рельс,
укрепленный на кронштейнах вдоль пути к шпалам через
4,2—5,5 м и предназначенный для подведения электроэнергии
к подвижному составу.
По расположению контактной поверхности рельса могут
быть конструкции с верхним и нижним токосъемом. На
отечественных метрополитенах принята конструкция с
нижним токосъемом (рис. 62). Она обеспечивает безопасность
обслуживающего 'персонала, так
145
Рис. 62. Расположение и конструкция контактного рельса:
Размеры до оси
пути
J — контактный рельс; 2 — резиновый шнур; 3 — стяжной болт; 4 — изолятор; 5 —
скоба: 6 — кронштейн; У ГР — уровень головок рельсов
как рельс закрыт с трех сторон защитным деревянным
коробом. Токосъем осуществляется токоприемником,
расположенным
на
тележке
вагона.
Нажатие
токоприемника к контактному рельсу составляет 200 Н.
Контактный рельс изготовляют из стали с удельным
сопротивлением 0,12-10 9 Ом м, он имеет площадь
сечения 6600 мм2 и массу 51,7 кг/м.
Длина звена контактного рельса 12,5 м. Отдельные
звенья
соединяют
в
плети
нормальными,
температурными
или
изолирующими
стыками.
Нормальный стык выполняют из двух накладок.
Температурный стык собирают с зазором для
возможности перемещения в нем звеньев контактного
рельса при изменении температуры. Электрическое
соединение в стыке обеспечивают с помощью медного
гибкого провода сечением 4X95 мм2. Температурные
стыки располагают в тоннеле через каждые 100 м, а на
поверхности земли через три звена.
На стрелочных переводах, съездах, в местах
секционирования и пересечениях путей устраивают
разрывы
146
контактного рельса. Длина разрывов определяется типом
подвижного состава и маркой крестовины. Для плавного
сбегания и набегания башмака токоприемника у разрывов
контактного рельса устанавливают концевые отводы с уклоном
рабочей поверхности при сбега- нии 1:20 и набегании 1:25. На
конец отвода для смягчения ударов при набегании башмака
крепят деревянный наконечник.
Контактный рельс изолируют от кронштейнов разъемным,
состоящим из двух частей фасонным изолятором, который
выдерживает механическую нагрузку 18 000 Н. При
номинальном напряжении 825 В изолятор имеет сухоразрядное
напряжение 20 кВ, мокроразрядное напряжение 10 кВ и
пробивное — 35 кВ. Изолятор охватывается скобой, 'которая
обеспечивает крепление его к кронштейну.
Простота конструкции, невысокая стоимость и хорошие
условия токосъема являются достоинством системы контактного
рельса. Недостаток ее — невозможность использования на
наземных дорогах вследствие доступности и опасности для
жизни людей при возможных прикосновениях.
21. Конструкции простой и цепных подвесок.
Сведения об их механическом расчете
Конструкции подвесок. Простая подвеска состоит из
одного или нескольких параллельных контактных проводов,
закрепленных
непосредственно
на
поддерживающих
уст{Тойствах (рис. 63). Подвешенный провод сохраняет
заданные ему натяжение и стрелу провеса лишь при той
температуре, при которой выполняется монтаж. Повышение
температуры до tmi% вызывает удлинение провода, вследствие
чего увеличивается стрела провеса и уменьшается натяжение.
Понижение температуры до
/min приводит к укорочению провода: стрела провеса
уменьшается, а натяжение увеличивается. Увеличение стрелы
провеса и натяжения провода происходит также в случае
147
образования гололеда и действия ветра.
При движении электровоза со значительной скоростью
токоприемник не успевает следовать за изменением кривизны
провода в точках подвеса. В точке а токоприемник отрывается
от контактного провода и вновь приходит с ним в
соприкосновение в точке б следующего пролета. В случае
отрыва токоприемника (в режиме потребления или
рекуперации тока) между ним и контактным проводом
возникает электрическая дуга. В этом месте происходит
подгорание провода, повреждается его поверхность и
уменьшается площадь сечения. Повреждаются и контактные
пластины токоприемника. В точке б происходит
механический удар, вызывающий деформацию провода, в
результате части провода, близкие к точкам подвеса,
изнашиваются и теряют механическую прочность быстрее,
чем остальная часть провода в пролете. Токосъем получается
удовлетворительным только при скоростях 35—40 км/ч и
длинах пролета, ие превышающих 35—40 м. Недостатками
простой подвески являются также неравномерность
эластичности и большие стрелы провеса контактного провода.
Рис. 63. Схема провисания провода простой подвески в зависимости от
температуры
148
Для поддержания постоянного иатяжеиия провода при
простой подвеске применяют сезонную регулировку или
компенсирующие
устройства.
Сезонную
регулировку
осуществляют с помощью натяжных муфт, включаемых в
провод. Регулировку осуществляют 2 раза в год: весной
провод подтягивают до положения, при котором натяжение
становится наибольшим; осенью провод отпускают, чтобы
зимой при /пип натяжение в нем не превосходило допустимого
значения. Подвески, имеющие компенсаторы, работают лучше
вследствие более высокого натяжения, чем при сезонной
регулировке.
Существенное улучшение работы простой подвески дает
применение оттяжных тросов ОТ (рис. 64). Контактный
провод КП крепят к опорам с помощью тросов ОТ длиной до
30—35 м и устанавливают фиксаторы таким образом, чтобы
контактный провод у соседних опор смещался в
противоположные стороны. Применение такой подвески дает
возможность увеличить длину пролета I до 75 м и повысить
допускаемую скорость движения до 80 км/ч. Эта подвеска
получила
название
пространственно-ромбической
и
рекомендована Министерством путей сообщения (МПС) для
применения на деповских и станционных второстепенных
путях.
В цепной одинйрной подвеске контактный провод может
занимать горизонтальное (беспровесное) положение. Это
достигается соответствующим
подбором длины струи:
средней части пролета и более
длинные у опор. Изменение
стрелы провеса контактного
провода в цепной одинарной
подвеске зависит от изменения
Рис. 64. Вид сбоку (а) и сверху (б) стрелы провеса несущего троса
простой подвески с
(а в двойной — и проме- 142
продольными оттяжными
тросами ОТ
жуточного). В цепной одинарной подвеске стрела провеса
контактного провода значительно меньше, чем при простой
подвеске.
Расстояние между струнами в цепных подвесках
принимают 8—12 м. Подвески разбивают на отдельные
анкерные участки длиной 1200—1600 м, механически не
связанные между собой.
Некомпенсированной цепной подвеской называют такую, в
которой несущий трос НТ и контактный провод КП жестко
анкеруют на конечных (анкерных) опорах (рис. 65, а). При
некоторой
средней
температуре
контактный
провод
располагается беспровесно и условия токосъема оказываются
хорошими. Эту температуру называют температурой
беспровесного состояния контактного провода to.
При изменении температуры в интервале от /0 до /тах
изменяются длины НТ и КП, а в результате и их натяжение.
Стрела провеса НТ будет изменяться, что повлечет за собой
изменение стрелы провеса КП. Условия токосъема при этом
ухудшаются. Прогиб контактного провода вниз называют
положительным провесом, вверх — отрицательным. Стрела
провеса контактного провода /кп при любой температуре
определяется разностью провесов НТ при рассматриваемом
режиме и режиме беспровесного положения КП. Для /max она
будет fttu- Fi—Го, а для режима /т1п соответственно {кп~Г2 Г о.
Эластичность в различных точках пролета различна.
Меньше она в точках А и В под опорами вследствие
сосредоточенной массы фиксаторов и неизменного положения
по высоте этих точек при всех температурах.
Для улучшения работы подвески применяют сезонную
регулировку натяжения контактного провода. Кроме того,
заменяют опорную струну двумя сдвинутыми на 2 м в обе
стороны от оси опоры. Этим обеспечивается смещение точек
подвеса контактного провода А и
150
по высоте при изменении температуры и несколько
распределяется сосредоточенная масса фиксатора.
Некомпенсированная подвеска допускает скорости
движения до 60 км/ч при длинах пролета до 55 м и на
электрифицированных линиях СССР ее не применяют.
В полукомпенсированной цепной подвеске НТ закрепляется
жестко на анкерных опорах, а КП имеет грузовые
компенсаторы К (рис. 65, б), поэтому в нем
поддерживается примерно постоянное натяжение при
различных температурах.
Изменение температуры вызывает изменение
натяжения и стрел провеса несущего троса. Контактный
провод получает положительные и отрицательные
стрелы провеса. Если контактный провод занимал
В
беспровесное положение при температуре средней
между tmax и /min,
152
то положительная и отрицательная стрелы провеса будут
примерно одинаковыми. Но токоприемник при движении
дополнительно поднимает провод, поэтому условия токосъема
при tmin будут хуже. Чтобы иметь одинаковые условия
токосъема в зимний и летний периоды, температуру
беспровесиого состояния te принимают иа 10—15°С ниже
средней, т. е.
'0'=('тах + 'ш,п)/2-<1О-15«С).
(18)
При этом отрицательная стрела провеса контактного
провода меньше положительной.
Анкерные участки подвески имеют двустороннюю
компенсацию контактного провода. Для предотвращения угона
или перетягивания его под действием разности массы грузов
компенсаторов контактный провод в середине анкерного
участка и в средней части пролета прочно соединен с несущим
тросом отрезком вспомогательного троса длиной 15—20 м. Это
устройство называют средней анкеровкой (рис. 66, а). Она
позволяет уменьшить зону разрушения контактной сети при
обрыве контактного провода в любой части анкерного участка.
Благодаря наличию средней анкеровки ) и компенсаторов
К при изменениях температуры контактный провод получает
продольное перемещение вдоль пути от средней анкеровки.
Несущий же трос перемещений таких не имеет. Поэтому
струны в этой подвеске при температуре, не соответствующей
беспровесному положению, имеют наклон — перекос (на рис.
65, в при (шах струны показаны штриховыми линиями).
Наибольший
перекос
получают
короткие
струны,
расположенные в середине последних пролетов от средней
анкеровки.
Угол наклона ие должен превышать 30°С, так как при
большем перекосе ухудшаются условия токосъема. Помимо
этого, перекос струи при температурах tmn и /щш приводит к
изменению натяжения в контактном fi—5128 145
Рис. 66. Схема средней
компенсированной (б) подведок™?/ полУМ>ипене.фовашюй (а) и
вески)* анкерный участок под-
LC™^'r»T"x.„“K'pHO">»"“™" ■«—
да в средних части,, Т* натяжение контактного прово-
S^SSSHSSSB",'ГГ,0участт »“"• *»
ся отклонение Р В’ а ПРИ tmln наоборот. Допускается отклонение
натяжения компенсированного контактного провода иа ±15%
номинального
Для уменьшения влияния перекоса струн и улучшения
токосъема устанавливают вместо коротких струн в последних от
средней анкеровки пролетах скользящие (см. рис. 80). Они
допускают продольные перемещения контактного провода
относительно несущего троса.
Недостатком полукомпенсированной подвески является
значительное изменение стрел провеса контактного провода и
ухудшение эластичности подвески вблизи опор. Эта подвеска
применяется на железных дорогах СССР, так как проста по
конструкции и обеспечивает бесперебойный токосъем при
скоростях до 100 км/ч. Длниа пролетов между опорами
составляет 60—70 м.
Улучшить работу подвески можно, заменив одну опорную
струну двумя смещенными, расположенными от оси опоры на
расстоянии, равном половине струно- вого пролета. Более
154
значительное улучшение характеристик достигается установкой в
подвеске у опор рес
сорных струн (рис. 67). Струны 2, расположенные у опор, крепят
к отрезку вспомогательного троса Г длиной 12—14 м,
укрепленному на несущем тросе на расстоянии а= 6-i-7 м с
каждой стороны опоры. Высота контактности провода под
опорами при этом не остается постоянной, а изменяется в
зависимости от провеса несущего троса в точках крепления к
нему рессорного провода и от изменения стрелы провеса этого
троса. Стрела провеса контактного провода, например, при /max
будет определяться выражением
(19)
Следовательно, стрелы провеса контактного провода прн
изменениях температуры будут небольшими, а эластичность
подвески более равномерной по длине пролета. При проходе
токоприемника у опоры нажатие его на контактный провод
вызывает разгрузку рессорного провода и несущего троса в
местах крепления. В таком случае высота подъема
токоприемника изменяется незначительно и создаются хорошие
условия для токо-
tnias
Рис.
67. Полукомпенсирован• ная подвеска с рессорными
ная
подвеска
с
рессорными
струнами (а) и схема
рессор-
156
от tmix до tmщ. На рис. 67, б и в показаны другие применяемые
схемы рессорных струн. Они обеспечивают лучшую
эластичность под опорами. Рессорная подвеска, допускающая
скорость до 130 км/ч, получила широкое распространение.
Полукомпеисироваиные подвески выполняют с одним и
двумя контактными проводами. Двойные контактные провода
улучшают условия токосъема и повышают ветроустойчивость
подвески.
Компенсированной цепной подвеской называют такую, в
которой несущий трос и контактный провод имеют
компенсаторы. Может быть компенсатор на каждый провод
(рис. 68, а) или один компенсатор для обоих проводов (рис. 68,
б). Стрела провеса несущего троса при всех температурах
остается неизменной, а контактный провод сохраняет заданное
ему положение. Для получения равномерной эластичности
подвески контактный провод располагают с небольшим (8—10
см) положительным провесом. При изменениях температуры
струны сохраняют вертикальное положение, смещаясь вправо
или влево.
Работа подвески ухудшается при образовании гололеда на
проводах, когда нагрузка провода возрастает и стрела провеса
контактного провода увеличивается. В этом случае
компенсаторы снабжают тормозными устройствами, которые
жестко закрепляют временно несу-
Рис. 68. Компенсированная цепная подвеска:
/ — коромысло; 2 — тормозное устройство; S — компенсатор 148
Рис. 69. Двойная цепная подвеска с рессорными струнами
щий трос. Подвеска работает как полукомпеисироваи- ная.
Чтобы обеспечить продольные перемещения проводов
подвески при изменениях температуры, несущий трос
подвешивают иа поворотных консолях и оставляют одну
иеповоротиую в середине анкерного участка. Последнюю
закрепляют жестко двумя оттяжками 5 (см. рис. 66, б),
укрепленными иа ией и зааикерованными иа соседние опоры.
Контактный провод 4 в этих пролетах анкеруют к тросу 2
наклонно расположенными струнами 3.
Компенсированная подвеска может быть выполнена с одним
и двумя контактными проводами, с опорными и рессорными
струнами. Она допускает скорость движения поездов до 160
км/ч. Длина пролетов на прямых участках пути ие превышает 70
м. Эту подвеску применяют для скоростного движения.
Двойная цепная подвеска (рис. 69) отличается от одинарной
наличием вспомогательного провода 3, расположенного между
несущим тросом 1 и контактным проводом 4. Его подвешивают
к несущему тросу иа струнах 2 нормальной длины, а контактный
провод к вспомогательному тросу — иа коротких петлевых
струнах 5. В качестве вспомогательного применяют медный
провод сплошного сечения. Стрелы провеса контактного
провода при изменениях температуры малы.
Двойную подвеску выполняют с одним и двумя
контактными проводами, опорными, смещенными и рессориыми струнами. Подвеска может быть некомпенсированной,
полукомпеисированной с компенсаторами в контактном
проводе или контактном и вспомогательном проводах и
полностью компенсированной; длина пролета 80—90 м.
158
Используют ее па дорогах с высокими скоростями движения.
Для более высоких скоростей были испытаны: тройная
цепная подвеска с одним главным несущим тросом и двумя
промежуточными; двойная рессорная со вспомогательным
несущим тросом и двойная демпфированная с четырьмя
пружинно-масляными амортизаторами между несущим и
промежуточным тросами. Испытания показали возможность
получения удовлетворительных условий токосъема при
скоростях 200 км/ч и выше.
В зависимости от расположения проводов подвесок в плане
различают полукосую, косую, ромбовидную и вертикальную
подвески. Наибольшее распространение получила полукосая
подвеска (рнс. 70, а), у которой контактный провод КП
расположен зигзагообразно относительно оси пути, а несущий
трос НТ — над осью пути. На железных дорогах СССР принято,
что зигзаги на смежных опорах направлены в разные стороны от
оси пути. Нормальный зигзаг составляет ±300 мм. Полукосая
подвеска проста по конструкции, обеспечивает равномерный
износ контактных пластин токоприемника.
При косой подвеске (рис. 70, б) контактный провод
расположен с зигзагом ±300 мм, а несущий трос у тех же опор с
зигзагом 1 м, противоположным зигзагу контактного провода.
Перекос струи поперек пути большой, что создает хорошую
ветроустойчивость подвески. Недостатком ее является
сложность монтажа. Применяют такую подвеску в районах с
сильными ветрами.
В ромбовидной подвеске (рис. 70, в) контактные провода
располагаются в горизонтальной плоскости у опор с
разносторонним зигзагом 300—400 мм. Ромбо-
159
г
Зигзаг
Рис. 70. Расположение проводов полукосой (а), косой (б) и
в)
ромбовидной (в) подвесок в плане на прямых участках пути (Р —
рельс)
видная подвеска монтируется на участках постоянного тока в
районах с сильными ветрами.
Вертикальная (хордовая) подвеска предназначается для
кривых участков пути (рис. 71, а). Контактный провод КП и
несущий трос НТ располагают в одной вертикальной плоскости
и по хорде относительно оси пути. Контактный провод у опор
смещают в наружную сторону кривой на рассстояние,
называемое выносом. Нормальный вынос на кривых равен 400
мм. Хордовая подвеска проста по конструкции и широко
применяется. При косой подвеске в кривых (рис. 71, б)
контактный провод расположен в вертикальной плоскости оси
пути, а несущий трос смещен в наружную сторону кривой.
Струны при этом занимают наклонное положение. Косая
подвеска позволяет увеличить пролет между опо-
160
Рис. 71. Вертикальная (хордовая) (а) н косая (б) подвески в кривых (Р —
рельс)
рами по сравнению с хордовой. Она может быть выполнена без
фиксаторов, что улучшает качество токосъема.
Краткие сведения о механическом расчете подвесок.
Основной задачей расчета контактных сетей является выбор
наивыгоднейших параметров (длины пролета, провесов
проводов, высоты опор), а также определение запасов прочности
отдельных элементов. Наивы- годиейшие геометрические
размеры обеспечивают экономичность сооружения и
необходимую надежность конструкции при работе.
При расчете подвесок вычисляют допустимые натяжения
проводов, наибольшие стрелы провеса н натяжения, которые
иужио давать при монтаже подвески. Допускаемое натязйёние
провода, кН,
",оп = кс°в5Д.
(2°)
где кс — коэффициент скрутки проводов;
S — фактическая площадь сечення провода или троса, мм1;
о„ — временное сопротивление материала провода, ГПа; i —
коэффициент запаса прочности.
Расчетом определяют следующие нагрузки проводов:
вертикальные (собственный вес провода и гололеда на ием);
горизонтальные (нагрузки от ветра);
161
результирующие (совпадающие по времени). Зная эти
нагрузки и Нт„, для исходного режима to по уравнению
состояния простой подвески определяют натяжение Нх для
других режимов температуры и нагрузок. Результаты расчета
представляют в виде монтажных кривых Нх (/*) и fx (/*), которые
используют при монтаже подвески.
Для цепных подвесок проводят расчет несущего троса,
который, помимо своего веса и дополнительных нагрузок от
гололеда и ветра, воспринимает нагрузки от всех проводов
цепной подвески и дополнительных нагрузок иа иих. Расчет
выполняют, выбрав наиболее тяжелый режим из следующих:
режим /тш (при отсутствии гололеда и ветра); режим
дополнительных нагрузок t=—5°С с гололедом и ветром; режим
/= +5°С при максимальной скорости ветра; режим /т«*.
Выбор длины пролета. От длины пролета зависит общая
стоимость контактной сети и надежность ее работы при
эксплуатации. Чем больше длина пролета, тем меньше
количество опор, кронштейнов, фиксаторов, изоляторов, но
одновременно увеличивается мощность опор, их высота и
несколько ухудшаются условия токосъема. С экономической
точки зрения, выгодно иметь пролеты большой длины (80—90
м), одиако в таких пролетах наблюдается большая
неравномерность эластичности подвески, увеличиваются
стрелы провеса проводов и отклонение контактного провода под
действием ветра, что может привести к сходу его с полоза
токоприемника. Обычно принимают наибольшую длину
пролета при условии обеспечения надежности работы в
эксплуатации.
Отклонение контактного провода от оси пути при ветре не
должно превышать допускаемого для токоприемника принятого
типа. Рабочая длина полоза токоприемников, применяемых на
дорогах СССР, составляет 1300 мм. Казалось бы, наибольшее
отклонение кои- тактного провода от оси приемника ие должно
превышать 650 мм. Но следует учесть возможные в
эксплуатации отклоиёния токоприемника от его нормального
162
положения: неодинаковый уровень головок ходовых рельсов на
прямых участках пути, неодинаковая просадка рессор
локомотива, неправильная установка токоприемника на крыше
подвижного состава, боковые колебания токоприемника из-за
перемещения в шарнирах и измеиеиия прогиба опор контактной
сети, вызываемого нагрузкой от ветра на провода подвески и
тело опоры. Вследствие этого наибольшее отклонение
контактного провода в пролете ЬКт«х (см. рис, 72, а) под
действием ветра принимают равным 500 мм иа прямых и 450 мм
на кривых участках пути.
Зигзаг контактного провода а вызывает уменьшение длины
пролета I. Несущий трос в цепных подвесках оказывает влияние
на ветровое отклонение контактного провода. В косых
подвесках он удерживает контактный провод, уменьшая его
отклонение, в полукосых действие его зависит от натяжения и
стрелы провеса.
При одинаковых ветровых отклонениях несущего троса и
контактного провода в пролете струны располагаются
вертикально (см. рис. 72, б) и несущий трос не
Рис. 72. Схемы отклонения провода при действии ветра (а) и влияния
несущего троса на отклонение контактного провода в пролете при
действии ветра (б, в, г): g — вес контактного проводе; N —. реакции струны
163
влияет па отклонение контактного провода. Если отклонение
несущего троса (см. рис. 72, в) меньше, то струны располагаются
наклонно, в результате чего появляются горизонтальные
составляющие их натяжения Рз, которые сдерживают
отклонения контактного провода. Прн отклонениях несущего
троса (рис. 72, г) больших, чем контактного провода,
составляющие Рэ увеличивают отклонение контактного
провода.
Длина гирлянды подвесных изоляторов оказывает влияние
на ветровое отклонение несущего троса. На дорогах постоянного
тока длина гирлянды меньше и, следовательно, она меньше
влияет на отклонение несущего троса.
Длину пролета уменьшают, если несущий трос увеличивает
ветровое отклонение контактного провода, и наоборот. На
участках, защищенных от ветра, длину пролета принимают
близкой к экономически выгодной, что снижает стоимость
контактной сети. При проектировании эту длину определяют,
рассчитывая ветровое отклонение проводов прн наибольших
скоростях ветра. На практике на прямых участках пути длину
пролета принимают до 70 м, а иа кривых уменьшают в
соответствии с радиусом кривой. 2
2
Провода и изоляторы контактной сети
Контактный
провод
должен
обладать
высокой
механической прочностью, электропроводностью, быть
износоустойчивым и
не подвергаться
корро
зии.
В соответствии с требованиями ГОСТ 2584—75 контактные
провода изготовляют следующих марок: МФ— медный
фасонный, МФО — медный фасонный овальный, НЛФ —
низколегированный фасонный, НЛФО — низколегированный
фасонный овальный, БрФ — бронзовый фасонный. БрФО —
бронзовый фасонный овальный.
1SS
Ряс. 73. Профили сечения контактных проводов: а —
фасонный: б — фасонный овальный 100 ым*
Фасонными эти провода (рис. 73, а) называют из-за наличия
двух продольных канавок для захвата провода зажимами.
Основные данные контактных проводов МФ и БрФ приведены в
таблице.
В контактных проводах НЛФ и НЛФО в качестве
легирующих компонентов применяют олово, магний, цирконий,
кремний, титан.
Бронзовые провода изготовляют из меди с легирующими
присадками (1% кадмия или 0,2% магния), оии обладают
повышенной прочностью по сравнению с медными и меньшей
электропроводностью. Применение присадок повышает их срок
службы ввиду меньшего износа при эксплуатации. Бронзовые
провода имеют отПлощадь
сечения
провода,
мм1
85
100
150
Размеры, мм (см. рис. 73, а)
А
11.76
12,81
15,50
н
10,8
11,8
14,5
С
Я
1.3
1.8
3,2
6,0
6.5
7,8
165
Временное
сопротивление разрыву,
ГПв, провода
Масса 1 км
провода, кг
медного бронзового
0,368
0,363
0,353
0,42
0,42
0.42
755
860
1335
личительиую продольную канавку в верхней части провода (на
головке), низколегированные — две канавки.
Провода с площадью сечения 100 и 150 мм2 подвешивают на
перегонных и главных путях станций, а 85 мм2 — на
станционных путях. С целью уменьшения ветрового отклонения
контактных проводов в пролете были выпущены овальные
провода сечением 100, 120 и 150 мм2 (рис. 73, б).
Несущий трос цепной подвески выполняют из медных,
бронзовых и биметаллических многопроволочиых проводов. На
дорогах постоянного тока применяют медные тросы марки М
сечением 95 и 120 мм2, а иа дорогах переменного тока —
биметаллические стале- медиые несущие тросы марки ПБСМ
сечением 70 и 95 мм2. Оии свиты из отдельных биметаллических
проволок, стальная сердцевина которых покрыта тонким слоем
меди. Толщина медной оболочки составляет 10% радиуса
проволоки. Биметаллические провода имеют высокую
механическую прочность (о»=0,75 ГПа) и не подвержены
коррозии иа воздухе. Эксплуатируются также бронзовые (Бр) и
биметаллические сталеалюминиевые (ПБСА) тросы.
Усиливающие, питающие н отсасывающие провода
выполняют алюминиевыми сечением 150 и 185 мм2.
Проводимость алюминия в 1,65 раза меньше, чем меди, но
алюминий легче меди примерно в 3 раза, поэтому при площади
сечения алюминиевого провода, эквивалентной площади
сечения меди, его требуется примерно в 2 раза меньше (по
массе), чем медного. Нагрузки иа опорные и поддерживающие
конструкции при этом уменьшаются.
Для электрического соединения отдельных проводов
контактной подвески и присоединения к ним секционных
разъединителей и разрядников применяют многожильные
гибкие медные провода МГГ сечением 50, 70, 95 и 120 мм2.
Струны выполняют из провода МГГ-10;
звеньевые выполняют из сталемедной проволоки БСМ
диаметром 4 мм. Рессорные струны изготовляют из троса
ПБСМ-25 или из проволоки БСМ диаметром 6 мм.
Изоляторы на контактной сети предназначены дли изоляции
166
проводов, находящихся под напряжением, от заземленных
частей и электрического отделении одной секции контактной
сети от другой. Изоляторы изготовляют из фарфора и
закаленного стекла. Они испытывают большие механические
нагрузки и должны обладать высокими диэлектрическими
свойствами.
Электрическую
прочность
изоляторов
характеризуют сухоразрядным, мокроразрядным и пробивным
напряжением.
Сухоразрядным называют напряжение, при котором
происходит поверхностное перекрытие изолятора при сухой и
чистой его поверхности, а мокроразрядным — напряжение
перекрытия при дожде. Пробивным называют напряжение, при
котором происходит пробой изолятора: пробивное напряжение
должно быть в 1,5 раза выше сухоразрядного. Для постоянного
тока напряжением 3 кВ изоляторы должны иметь сухоразрядное
напряжение не менее 75 кВ и мокроразрядное — не меиее 50 кВ,
а для переменного тока напряжением 25 кВ — соответственно
135 и 100 кВ.
В устройствах контактной сети устанавливают изоляторы
подвесные тарельчатого типа, стержневые, седлообразные и
изолирующие вставки из полимерных материалов. Подвесные
изоляторы ПФ6-А с серьгой (рис. 74, а) состоят из фарфоровой
тарелки / и головки, к которой цементным раствором крепят
шапку 2 из ковкого чугуна. Внутри головки цементным
раствором крепят металлический стержень 4, заканчивающийся
внизу серьгой или пестиком. Изолятор выдерживает
механическую нагрузку 44 кН.
На контактной сети постоинного тока изоляторы ПФ6-А
соединяют в гирлянды по два, на линиях переменного тока — по
три-четыре. Помимо этих изолято-
167
ров, используют изоляторы стержневого типа (рис. 74,6).
Они состоят из фарфорового стержни / с двумя головками
нз ковкого чугуна 2 и 3, которые крепят к стержню цементным
раствором. На дорогах переменного тока их используют в
качестве фиксаторных ФСФ-27,5, секционных ССФ-27,5 и
консольных ИКСУ-27,5, включаемых в подкосы поворотных
консолей. Изоляторы для дорог постоянного тока имеют
четыре ребра и отключаются от приведенных размерами и
характеристиками. По ГОСТ 12670—77 с начала 1980 г.
введены следующие обозначении изоляторов: ПТФ70, ФТФ40,
ФСФ70, ССФ70 и КСФ70. Буквы показывают назначение: П —
подвесной, Ф — фиксаторный, С — секционный, К —
консольный, Т — тарельчатый, вторая С — стержневой, Ф —
фарфоровый; цифры — нормативную разрушающую
механическую нагрузку при растяжении, кН.
На дорогах постоянного тока в качестве секционных
изоляторов применяют седлообразные РС-10 (рис. 74, в),
соединяемые по два последовательно. В новых типах
168
секционных изоляторов иа дорогах постоянного и переменного
тока установлены изолирующие вставки из стеклотекстолита.
Они склеены из слоев стеклоткани длиной 1000 м.
23. Взаимодействие контактной подвески
и токоприемника
Токосъем должен быть безыскровым при наибольших
скоростях движения и любых климатических условиях. Это
зависит от свойств токоприемника и контактной сети. При
движении токоприемника по контактному проводу простой
или цепной подвески изменяется положение его полоза по
высоте в зависимости от эластичности подвески, расположения
контактных проводов по высоте и характеристик
токоприемника.
Если скорость движения невелика, то изменение высоты
подъема токоприемника незначительно влияет иа нажатие в
контакте. При высоких скоростях увеличивается воздействие
воздушного потока, а вследствие изменения высоты
токоприемника возникают инерционные силы и нажатие в
контакте между полозом токоприемника и контактным
проводом мениетси. Наличие сосредоточенных масс на
контактной сети в виде зажимов, деталей и фиксаторов также
приводит к изменению нажатия в месте контакта. Нажатие в
контакте должно изменяться незначительно и не выходить за
пределы значений, установленных для применяемых
токоприемников. Если нажатие уменьшается, происходят
отрывы токоприемника от провода, появляется электрическая
дуга, вызывающая износ контактного провода и накладок
полоза и ухудшение работы машин электро- подвижного
состава. Увеличение нажатия вызывает повышенное отжатие
контактных проводов, что может привести к повреждению
контактной сети и срывам полоза токоприемника.
Нажатие токоприемника на контактный провод при движении его
вдоль подвески
Р~Р0±РтЬРг±Р„
169
(21)
где Ро. Р„ Р* — силы соответственно нажатия пружнн, трения в шарнирах и
инерцнн масс токоприемника;
Р,
—
аэродинамическая
составляющая
нажатия
токоприемника, определяемая воздушным потоком
при движении поезда.
Сила трения в шарнирах Рт всегда направлена против движения н
противодействует ему.
Нажатие без учета динамической и аэродинамической составляющих
при медленных перемещениях токоприемника вниз и вверх называют
статическим, а изменение его в зависимости от высоты подъема —
статической характеристикой токоприемника. Разница в пассивном Pi =
Po+P, (при движении полоза вниз) н активном Pi—Ро—Ят (при движении
полоза вверх) статических нажатиях должна быть наименьшей. Наибольшее
пассивное нажатие для легких н тяжелых токоприемников составляет
соответственно 90 и 130 Н, а наименьшее активное — 60 н 100 Н. Отклонение
от допустимых значений может привести к ухудшению токосъема и
повышенному износу контактирующих элементов.
Важным показателем качества конструкции токоприемника является
инерция его массы, т. е. динамическая составляющая давления Р„=М-а
(здесь М — приведенная масса токоприемника; а — ускорение этой массы в
вертикальной плоскости).
Приведенной
массой
называется
масса,
которая,
будучи
сосредоточенной в точке соприкосновения с контактным проводом,
оказывает такое же воздействие на подвеску, как и действительный
токоприемник. Изменение приведенной массы токоприемника в
зависимости от высоты его подъема называют динамической
характеристикой. Чем больше приведенная масса, тем больше инерция
токоприемника и тем хуже условия токосъема.
Приведенную массу определяют аналитически или экспериментально
по числу колебаний токоприемника, подвешивая его на пружине с
известной характеристикой, нли по приведенному весу токоприемника с
помощью динамометра, подключаемого к средней точке полоза (в обоих
случаях прн отсоединенных пружинах токоприемника). Среднее значение
приведенной массы для отечественных токоприемников находится в
пределах 24,5—46 кг.
Аэродинамическая составляющая Рш зависит от скорости движения
поезда, скорости н направления ветра, конструкции токоприемника,
лобовой поверхности электровоза, раслоложення и формы крышевого
оборудования и может быть определена лишь экспериментальным путем.
Прн увеличении скоростей движения возрастают аэродинамические усилия,
в результате чего на отдельных участках контактной сети нажатие
токоприемника резко возрастает, становясь в 2—2,5 раза больше
статического, а на других участках уменьшается до нуля, вследствие чего
170
происходит отрыв токоприемника от контактного провода.
Лобовое сопротивление полоза токоприемника воздушному потоку
должно быть наименьшим. Полоз токоприемника с приподнятой передней
гранью вызывает увеличение нажатия на провод, а с опущенной передней
гранью стремится оторвать токоприемник от контактного провода.
Для скорости движения 160 км/ч на участках с полукомпенсированной подвеской и одним контактным
проводом контактное нажатие полоза токоприемника П-1
составляет 240—260 Н, а в случае применения токоприемника
13РР и компенсированной подвески с двумя контактными
проводами достигает 260 Н. Высокие нажатия чередуются с
полными отрывами токоприемника от контактного провода,
что приводит к увеличению износа провода н накладок полоза.
Подъем контактного провода зависит от нажатия
токоприемника, натяжения проводов и массы контактного
провода.
Эластичностью контактной подвески называют подъем
Д/г контактного провода под действием нажатия Р
токоприемника в рассматриваемой точке и измеряют в метрах
на ньютон (м/Н). Эластичность характеризует качество
подвески. При неравномерной эластичности подвески в
пролете контактный провод поднимается неодинаково, условия
токосъема оказываются неудовлетворительными, а при
равномерной — траектория движения токоприемника
приближается к прямолинейной и качество токосъема хорошее.
В применяемых подвесках эластичность изменяется по длине
пролета в значительных пределах.
Эластичность подвески должна быть равномерной и
возможно меньшей. При большой эластичности и
значительных подъемах контактного провода в условиях
171
высоких скоростей движения
нажатие токоприемника вызывает
волновые колебания подвески,
затрудняющие токосъем.
Подвески дорог постоянного тока
обладают значительной массой
Рнс. 75. К определению
(тяжелые),
а
следовательно,
реакций в точках подвеса при действии силы
малой эластичностью; поэтому
на провод
эти подвески менее подвержены
колебаниям
и
обеспечивают
лучший токосъем, чем легкие контактные подвески дорог
переменного тока с большей эластичностью.
Прн расчете эластичностн полагают, что енла нажатия токоприемника
Р невелика по сравнению с равномерно распределенной нагрузкой на
подвеску, натяжение проводов подвески неизменно; жесткость проводов
не учитывают.
Рассмотрим силы, действующие на провод в пролете прн нажатии на
него токоприемника с силой Р (рис. 75). Сумма моментов относительно
точки В
Я д / + Р((-х)-^ = 0,
(22)
откуда
fi
A=Y~p(Lr)'
(23)
где q — нагрузка от силы тяжести провода, Н/м.
Без приложения силы Р реакция в точке подвеса
К А = Я Ч 2(24)
Под действием токоприемника на провод с силой Р реакция в точке
подвеса уменьшается на величину Р(1~х)[1.
Разрежем мысленно провод в точке приложения силы Р н рассмотрим
равновесие левой части пролета, заменив действие правой части
натяжением
К . Возьмем момент всех енл относительно
точки
приложения силы Р, сначала не учитывая действия этойсилы, а
163
затем учитывая при подъеме провода Дh . Вычитая значение первого
момента из второго, получим
(25)
«ДЙ__Р£^ = 0>
откуда
Дй =
Рх (I — X)
(26)
ъ
Эластичность контактной подвески в рассматриваемой точке
Дй х ( I — х)
~р
=
ia
(27)
При х=0 в точках подвеса т) = 0. Если сила Р приложена в середине
пролета, т. е. х=//2, то г)=//(4/С). Как видим, эластичность зависит от длины
пролета н натяжения провода К .
Аиалогнчно, рассматривая цепную подвеску, получим в дайной точке
Рх(1-х)
(28)
ЦТ + К)
где Т — натяжение несущего троса;
I — длина пролета.
Эластичность цепной подвески
ДА х ( 1 — х )
П~~Р= ЦТ + К)
(29)
а при х=1/2 получим
ч
=//4(7-+АТ).
(30)
Применение рессорных струн
улучшает эластичность опорного узла, но все же она получается
ниже, чем в середине пролета. По формулам можно построить
эпюру эластичности любой контактной подвески.
Для оценки качества токосъема строят кривые траектории
движения полоза токоприемника в пролете и кривую изменения
контактного нажатия между поло
173
зом и контактным проводом. Пользуясь ими, можно определить
допустимые скорости движения для различных видов
контактных подвесок и токоприемников и обоснованно
подходить к выбору их параметров, в частности, к выбору
температуры беспровесного положения контактного провода
полукомпенсироваиных цепных подвесок.
24. Основные схемы и конструкции контактной сети
Габариты устройств контактной сети. Нормальна» высота
контактного провода над уровнем головок рельсов на перегонах
принята равной 6250 мм, на станциях — 6600 мм. Минимальная
высота должна быть не меньше 5750 мм на перегонах и 6250 мм
на станциях, максимальная — не более 6800 мм.
Расстояние от передней грани опор до оси пути принято на
прямых участках пути перегона и станций 3100 мм, в выемках
при расположении опор за кюветом — 4900 и 5700 мм, в
стесненных условиях на перегонах габариты снижены до 2750
мм и иа станциях — до 2450 мм.
Расстояние от усиливающих проводов, подвешенных иа
опорах контактной сети с полевой стороны, до земли в середине
пролета должно быть не менее 6000 мм, а расстояние от них до
склона выемки — ие менее 4500 мм.
В искусственных сооружениях расстояние от элементов
токоприемника н частей контактной сети, находящихся под
напряжением, до заземленных частей сооружений и
подвижного состава должно быть 200 мм на участках
постоянного и 350 мм переменного тока.
Сопряжения анйерных участков. Контактная сеть состоит
из отдельных анкерных участков длиной 1200—1600 м. Чтобы
обеспечить переход полоза токо-
174
.приемника с контактного провода одного анкерного
участка на контактный провод следующего, применяют
различные схемы сопряжений этих участков. Сопряжения
должны обеспечивать плавный переход токоприемника и
бесперебойный токосъем для принятых скоростей движения на
участке. На перегонах применяют простые и эластичные
сопряжения. В местах секционирования контактной подвески
выполняют изолирующие сопряжения, а в местах, питаемых от
различных фаз на дорогах переменного тока, где недопустимо
замыкание токоприемником смежных секций, применяют
изолирующие сопряжения с нейтральной вставкой (см.
параграф 25).
При полукомпенсированной подвеске, когда скорость
движения не превышает 70 км/ч, выполняют простые
сопряжения по двухпролетной схеме (рис. 76, а). Между
анкерными опорами 1 и 3 располагают переходную 2, на
консоли которой в одном двойном седле подвешивают несущие
тросы обоих анкерных участков. Контактные провода
подвешивают на струнах к несущим тросам и анкеруют на
опорах / и 3 на 0,5—0,6 м и выше нормальной высоты провода в
пролете.
Электрическое соединение между проводами анкер- .ных
участков
осуществляется
с
помощью
продольных
соединителей. В месте пересечения контактных проводов
устанавливают ограничительную трубу длиной 1—1,5 м, чтобы
при проходе полоза подъем любого провода в этом месте
вызывал подъем другого. В месте пересечения контактных
проводов наблюдается искрение н их усиленный износ, поэтому
двухпролетное сопряжение применяют на второстепенных
путях станций.
На главных путях станций и перегонах при полукомшенсированных и компенсированных подвесках выполняют
эластичные трехпролетные сопряжения анкерных участков
(рис. 76, б). Между анкерными опорами 1 и ■4 располагают две
переходные 2 и 3. Анкеруемые ветви
контактных проводов между этими опорами в плане
располагают параллельно на расстоянии 100 мм с возвышением
у переходных опор на 200 мм относительно рабочего
контактного провода. Токоприемник с одного провода на
другой переходит более спокойно в середине переходного
пролета.
Воздушные стрелки. Переход токоприемника с
контактного провода одного пути станции на другой
обеспечивается воздушными стрелками, которые образуются
при пересечении двух сходящихся контактных подвесок. В
176
месте пересечения контактных проводов уста- яавливают на
нижнем проводе ограничительную трубку длиной 1—1,5 м.
При высоких скоростях движения воздушные стрелки
должны быть фиксированными, т. е. провода с помощью
фиксаторов должны удерживаться в требуемом .для надежной
работы
положении.
Поэтому
пересечения
лроводов
осуществляют вблизи гибкой или жесткой поперечины или
специально устанавливают опору (рис. 77).
Фиксирующие устройства располагают на расстоянии 1—2
м от места пересечения контактных проводов в сторону остряка
стрелки; место пересечения контактных проводов должно
находиться между осями сходящихся путей и отстоять от них на
расстоянии 400 мм. В вертикальной плоскости это пересечение
располагают там, где расстояние между внутренними гранями
сходящихся рельсов крестовины равно 730—800 мм.
Нефиксированные стрелки применяют на второсте- ленных
путях, где скорости движения невелики.
Фиксаторы. Для создания зигзагов контактного провода на
прямых участках пути и выносов у опор на кривых служат
фиксаторы. Фиксаторы должны быть легкими и легко
перемещаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
^ Область наилучшего расположения
фиксирующей опоры Точна пересечение
Аннеровочная ветвь цепной
подвески
S
Ч
чн
проводов
Г
Веч»—- „ - *
--------------------800-"''
Нотепатический нрес-
■Остры стрелы ЦсшР стрелочного перевода
Рис. 77. Схема расположения фиксированной воздушной стрелки на
стрелочном переводе
Рис. 78. Схемы, поясняющие работу сжатого ( а ) и растянутого ( б )
фиксаторов
177
Фиксаторы выполняют изогнутыми, чтобы при отжа- тии
контактного провода полоз токоприемника не- задевал их. В
зависимости от направления зигзага фиксаторы работают на
растяжение или сжатие. При плюсовом зигзаге (см. рис. 76, б,
опора 1) на фиксатор- действует сжимающее усилие, а при
минусовом (опора 4) — растягивающее. У сжатого фиксатора
(рис. 78, а) вертикальная составляющая N усилия направлена
вниз, что увеличивает сосредоточенную массу и жесткость, а у
растянутого (рис. 78, б) — вверх, что уменьшает
сосредоточенную массу и жесткость при проходетокоприемника под этим фиксатором. Условия токосъема в
последнем случае будут лучше, а износ контактного провода
меньше. Сжатые фиксаторы по возможности заменяют
обратными сочлененными фиксаторами и консолями с
обратными фиксаторными стойками (см. рис. 91, г) .
По конструкции фиксаторы делят на жесткие, сочлененные,
гибкие н обратные. Сочлененный фиксатор- (рис. 79, а, б)
состоит из основного 1 и дополнительного 2 стержней.
Дополнительный стержень работает на растяжение. Его крепят
к основному с помощью специальной стойки 3. Основной
стержень подвешивают двумя струнами к несущему тросу на
расстоянии 1,5—2 м по обе стороны от консоли. При этом на
контактный про- вод передается только нагрузка от веса
дополнительного стержня. На участках с двумя контрактными
проводами применяют фиксаторы для каждого контактного)
178
Рис.
а) 79. Прямой сочлененный ( а ) , обратный сочлененный ( б ) и гибкий
( в ) фиксаторы
провода с дополнительными стержнями. Обратные фиксаторы
устанавливают и а прямых участках пути при плюсовых
зигзагах и на опорах, располагаемых внутри кривых. При
расположении опор на внешней стороне кривых малых
радиусов применяют гибкие фиксаторы (рис. 79, в), которые
состоят из изогнутого фиксатора 4 и проволоки 5 диаметром
5—6 мм, прикрепленной к изолятору 6 у опоры.
Струны и зажимы. Вертикальные струны выполняют
гибкими или звеньевыми. Струны присоединяют к проводам
цепной подвески струновыми зажимами безбол- товой
конструкции
(ранее
применяли
болтовые
зажимы).
Безболтовые зажимы легче болтовых в 3—4 раза, что приводит
к уменьшению затрат металла на их изготовление и упрощению
монтажных работ. В полу
179
компенсированной подвеске при перекосах струн применяют
скользящие струны (рис. 80).
Контактная подвеска в искусственных сооружениях^
Из-за недостаточного габарита искусственного сооружения при
устройстве в нем контактной подвески невозможно
использовать типовые конструкции. Поэтому под мостами,
путепроводами (рис. 81, а), если высота их достаточна,
подвеску пропускают под сооружением и: устанавливают
изолированные отбойники, исключающие поджатие ее к
сооружению. Если высота сооружения недостаточна, в несущий
трос врезают изолированную вставку и устраивают обвод с
закреплением на контактном проводе или в стороне от пути
(рис. 81, б). Возможны и другие решения. Опоры контактной
сети устанав-
6
Рис. 81. Схемы прохода контактной подвески под пешеходным мостом и
путепроводом:
/ — щит ограждения; 2 и 5 — отбойники несущего троса; 3 — скользящая
180
струна; 4 — изолированная вставка; 6 — обвод
ливают так, чтобы сооружение находилось в середине
лролета.
На мостах с ездой понизу конструкция контактной
подвески зависит от их габаритов. При недостаточной высоте
моста несущий трос подвешивается на П-образ- иых
кронштейнах или специальных поворотных консолях выше
ветровых связей моста (рис. 82, а), либо внутри их на
поперечных тросах или других конструкциях ■{рис. 82, б).
Наиболее сложно устройство контактной сети в тоннелях.
Ее выполняют в виде цепной подвески с небольшой
конструктивной высотой (400—500 мм) и малыми длинами
пролета (15—25 м). Подвеску укрепляют иа изолированной
консоли, установленной в нише
Рис. 82. Схемы прохода контактной подвески иа мостах с ездой понизу:
/ — отбойник; 2 — кронштейн; 3 — фиксатор; У ГР — уровень головки рельсов
верхней части тоннеля, или на гибких изолированных связях.
Высота
контактного
провода
в
искусственных
сооружениях и под ними обычно меньше, чем на соседних
примыкающих участках. На подходах к сооружению
181
предусматривается плавное снижение высоты контактного
npoBOflav
25. Секционирование и питание контактной сети
Принципы секционирования. Секционирование — это
разделение контактной сети на отдельные секции, которые
электрически не связаны друг с другом, но могут быть
соединены секционными разъединителями. Секционирование
повышает надежность работы контактной сети, делает удобным
ее обслуживание при эксплуатации. Любую секцию контактной
сети возможно отключить для производства ремонтных работ
без прекращения движения поездов на остальных секциях.
Секционирование бывает продольное и поперечное <рис.
83). При продольном секционировании контактную сеть станции
отделяют от контактной сети перегона (разъединители А, Б, В,
Г) и они образуют отдельные секции. Электрическое отделение
контактной сети одной группы путей от другой на станциях или
отделение контактной сети одного главного пути от другого на
двухпутных участках как на станциях, так и на перегонах
называется поперечным секционированием.
При
продольном
секционировании
устраивают
изолирующие сопряжения анкерных участков (воздушные
промежутки) и устанавливают в местах сопряжения
продольные секционные разъединители, обозначаемые на
схемах большими начальными буквами русского алфавита.
Поперечное секционирование осуществляют посредством
секционных изоляторов СИ. Для соединения секций между
собой устанавливают секционные разъ-
182
Рис. 83. Продольное и поперечное секционирование контактной cent
станции на двухпутном участке (одной окружностью обозначены
секционные разъединители с ручным приводом, двойной — с
дистанционным электродвигагельным приводом)
единители, обозначаемые на схемах буквой П (поперечный) с
цифрами,, указывающими, какие секции (или какие пути)
контактной сети соединяют данным разъединителем.
Контактную сеть крупных мостов с ездой понизу и
тоннелей выделяют в отдельные секции. Контактную сеть
путей и тупиков, на которых выполняют погрузку и выгрузку,
ремонт крышевого оборудования вагонов, снабжение водой
пассажирских вагонов выделяют в отдельные секции. Эти
секции соединяют с подвеской других путей разъединителями с
заземляющими контактами. При отключении такого
разъединителя одновременно заземляется отключаемая секция
пути и тем обеспечивается безопасность людей, работающих
под ней.
На крупных станциях главные пути обычно выделяют в
отдельные секции, а остальные секционируют по паркам или
подразделяют на группы. Это позволяет проводить работы на
контактной сети со снятием напряжения, не прекращая
поездной работы станции.
Напряжение в контактную сеть подается по питающим
линиям, (кабельным или воздушным) от тяговых подстанций,
183
число которых зависит от числа главных путей, путевого
развития станции и места расположения подстанции. При
расположении ее в середине станции каждая секция контактной
сети перегона получает питание по своей питающей линии, а
пути станции — по одному и более фидерам (рис. 84, а).
Разъединители, устанавливаемые на питающих линиях
(фидерах), обозначают буквой Ф.
На дорогах переменного тока для избежания междуфазного к. з. при проходе токоприемника в одной из горловин
станции устраивают нейтральную вставку ИВ (рис. 84, б).
Разъединители на фидерах нормально включены, продольные
секционные разъединители А, Б, В, Г разомкнуты, чем
обеспечивается независимое питание секций и их защита.
Контактную сеть тракционных путей и электродепо
выделяют в отдельную секцию и питание ее осуществляют по
отдельному фидеру Ф6 (рис. 85). Электровозное депо внутри не
имеет контактной сети. Для ввода и вывода электровозов
используют низкое напряжение, которое подают с помощью
гибкого кабеля. Моторвагонные депо оборудованы контактной
сетью. Здесь каждый путь выделяют в отдельную секцию и
ставят разъединители 31, 32, 33 с заземляющим контактом. Для
безопасности работающих при техническом обслуживании и
ремонтах подвижного состава приводы разъединителей
связывают со световыми указателями, устанавливаемыми
внутри и снаружи депо над воротами соответствующего пути.
Они указывают на наличие или отсутствие напряжения в
данной секции. Управляет разъединителями дежурный по депо.
Переключения секционных и фидерных разъединителей
производят с помощью ручного или электродвнга- тельного
(моторного) привода. Управляют секционными
184
а)
Рис. 84. Схемы питания и секционирования контактной сети на
двухпутном участке, электрифицированном на постоянном ( а ) и
переменном ( б ) токе
Рис. 85. Секционирование и питание контактной сети моторвагонного
депо
185
разъединителями с электродвигателъиыми приводами от
дежурного по станции или с блокпоста, а наиболее
ответственными и часто переключаемыми — с диспетчерского
пульта средствами телемеханики.
Способы стыкования. При электрификации одной линии
на разных системах тока возникает необходимость стыкования
участков постоянного и переменного тока. В большинстве
случаев это осуществляется на так называемых станциях
стыкования. В контактной сети этих станций выделяют
секции, в которые можно подавать напряжение как
постоянного, так и переменного тока. Однако при больших
размерах движения и на крупных станциях выполнять
стыкование таким образом сложно и дорого. Поэтому
используют электровозы ВЛ82 двойного питания, при которых
упрощаются схемы питания и секционирования контактной
сети. При этом в контактной сети путей, на которых
осуществляется стыкование, в зависимости от скорости
движения поездов устраивают изолирующие сопряжения или
секционные изоляторы с нейтральными вставками.
Рассмотрим упрощенную схему секционирования и
питания станции стыкования с переключением секций и
последовательным расположением прнемо-отправоч- ных
парков (рнс. 86). Станция обеспечивает прибытие и
отправление поездов с электровозами различных систем тока,
а также проход их из одного парка в другой и на пути отстоя.
Контактную сеть станции делят на три района: постоянного
тока (парк А), где в нее подается только постоянный ток;
переменного тока (парк Б) и район переключения, где в
каждую секцию может быть подан постоянный или
переменный ток (жирные линии на рис. 86). Число
переключаемых секций зависит от путевого развития станции,
организации работы, назначения путей и т. п. Пункты
группировок ПГ со специальными переключателями 5
располагают на открытом воздухе или в закрытых
помещениях.
^ - -Секция п
рчпенн
о с ,
о
Л
/7/7
Е
fm Ш
ПГЗ
(пики,
по
отпитого
. тока,
— Секция
— Секции пеV J мия
пеключе-
Рис. 86. Схема секционирования и пиТаиип станции стыкования: /, 2 —
тупики; 3, 4 — питающие линии соответственно постоянного переменного тока
В основу системы стыкования положена электрическая
централизация станции с маршрутным управлением. В
зависимость включены стрелки, сигналы, переключатели или
разъединители переключаемых секций контактной сети,
входящие в маршрут приема и отправления поездов,
маневровые маршруты. Переключение контактной сети
производится автоматически одновременно с переводом
стрелок
дежурным
с
пункта
маршрутно-релейной
централизации (МРЦ). Постоянный или переменный ток
включают в зависимости от рода электровоза, для которого
готовится маршрут. Контактная сеть парков А и Б в систему
электрической централизации ие включена.
Если на переключаемый путь вышел электровоз
постоянного тока, то изменить напряжение в соответствующей
секции нельзя до тех пор, пока электровоз не пройдет ее, а
открыть сигнал для его выхода с этого участка можно только
при подаче на смежную секцию напряжения постоянного тока.
Специальное
устройство
МРЦ
позволяет
изменить
напряжение в переключаемой секции после отцепкн
электровоза от состава и выхода его с этой секции, хотя путь
остается занятым вагонами.
Электровозы переменного тока, прибывающие с по- 17В
■А 7-5128
187
ездами в парк Б или на главный путь II, после отцепки следуют
в тупик 2 (см. рис. 86) для отстоя, откуда их подают под состав,
находящийся в парке А. Затем они отправляются вновь на
участок переменного тока. Аналогично электровоз из парка А
направляется для отстоя в тупик /, а затем подается под состав
в парк Б для отправления на участок постоянного тока.
Изолирующие сопряжения. В местах примыкания
контактной сети перегонов и станций применяют
изолирующие сопряжения анкерных участков. Они
электрически разделяют секции контактной сети и могут быть
трех- или -четырехпролетнымн. Изолирующее сопряжение
полукомпенснрованнои подвески в трех пролетах выполняют
аналогично эластичному (см. рис. 76, б), с той разницей, что в
пролете между переходными опорами, называемом
воздушным промежутком,
подвески располагают
в
параллельных вертикальных плоскостях на расстоянии 550 мм.
На действующих линиях сохраняют ранее принятое
расстояние 400 мм на дорогах постоянного тока и 500
мм—переменного тока (рис. 87,а). Увеличение расстояния до
550
мм
обусловлено
требованием
предотвращения
возникновения устойчивой электрической душ между
проводами при проходе токоприемников, если одна из секций
контактной сети окажется обесточенной или заземленной.
Несущие тросы анкеруют на тех же опорах, что и
контактные провода, а на переходных опорах 2 и 3
подвешивают их к консолям на отдельных подвесных
изоляторах.
В компенсированных подвесках перемещение контактных
проводов и несущих тросов относительно друг друга
осуществляется поворотными консолями и фиксаторами,
устанавливаемыми
для
каждой
ветви
раздельно.
Электрическое соединение двух секций осуществляется
секционным разъединителем, устанавливаемым на переходной
опоре. На переходных опорах 2 иЗ нерабочий 4*7* 179
Рис. 87. Трех- (а) и четырехпролетное (б) изолирующие
сопряжения анкерных участков (1—5 — номера опор)
контактный провод располагают выше на 500 мм, чем
рабочий. При нахождении токоприемника в средней части
переходного пролета полоз его одновременно касается обоих
контактных проводов, соединяя электрически обе секции.
Для более плавного прохода токоприемника на дорогах
постоянного
тока
применяют
четырехпролетные
изолирующие сопряжения (рис. 87, б). При скоростном
движении (180—200 км/ч и выше) такая схема сопряжения
анкерных участков в местах секционирования будет основной.
На дорогах переменного тока в местах раздела питания
разных фаз осуществляют сопряжение анкерных участков с
нейтральной вставкой, состоящее из двух изолирующих
сопряжений. Длина нейтральной вставки должна быть больше
расстояния между крайними токоприемниками электровозов
при кратной тяге (50— 60 м) или между первым и последним
токоприемниками моторвагонного поезда (200 м), чтобы не
7*8—5128
189
произошло замыкания двух разных секций через
токоприемники. Движение электроподвижного состава под
нейтральной вставкой происходит без потребления тока — по
инерции. Секционные разъединители 1 и 2 (рис. 88, а, б)
нормально отключены и служат для подачи напряжения на
нейтральную вставку в случае остановки поезда под ней.
Нейтральную вставку 3 (рис. 88, в) ограждают с обеих сторон
по ходу поезда постоянными сигналами 4 (Отключить ток), 5
(Включить ток на электровозе) и 6 (Включить ток на
моторвагонном поезде).
Секционные
изоляторы
и
разъединители.
Секционирование
контактной
сети
на
станциях
осуществляется с помощью секционных изоляторов. Они
электрически разделяют секции контактной сети и позволяют
электро- подвижному составу перемещаться из одного парка в
другой. Длина изоляторов должна быть небольшой, так как
располагают их между путями (на съездах). Полозы
токоприемника скользят по дополнительным проводам или по
специальным направляющим, перекрывая воздушный
промежуток изолирующего сопряжения и замыкая при этом
две секции контактной сети. Сущест вует несколько типов
секционных изоляторов для дорог постоянного и переменного
тока, они отличаются уровнем изоляции и конструкцией.
На линиях постоянного тока используют трехпровод- иые
секционные изоляторы (рис. 89) длиной 8 м. Они допускают
скорость движения до 50 км/ч. Секционные изоляторы могут
быть выполнены с нейтральной вставкой, тогда их длина
равна 12 м. Широко распространены малогабаритные
секционные изоляторы с изолирующими полимерными
вставками с двумя парами искрогасительных рогов СИ-2У
(рис. 90) и др. На дорогах переменного тока устанавливают
малогабаритный секци-
190
В
) -Ж*
1 Нелепее 50м
------- ---------
Направление
движения
Не немее S£n 1 ''
Не менее 200м
Рис. 88. Схемы сопряжения анкерных участков с нейтральной вставкой для
электровозной (а), моторвагонной (б) тяги; схема установки сигнальных
знаков отключения и включения тока (в)
1 — несущий трос; 2 — изолятор ПФ6-А; 3 - изолятор РС-1С; 4 — контакт- ный
провод
7*8—5128
191
Рис. 90. Секционный изолятор СИ-2У
онный изолятор ЦНИИ-7МА. Они допускают скорости
движения до 120 км/ч.
Секционные разъединители предназначаются для
электрического соединения смежных секций и присоединения
к ним питающих линий. На линиях постоянного тока
применяют разъединители РС-2000/3,3 и РСУ- 3000/3,3 на ток
соответственно 2000 и 3000 А при напряжении 3,3 кВ.
Разъединитель снабжен искрогасительными рогами.
На дорогах переменного тока используют разъединители
на напряжение 35 кВ и иа ток 600—1000 А с заземляющим
ножом и без него. Разъединители устанавливают на вершинах
опор или иа кронштейнах с боку опоры. Они соединяются с
контактной сетью медными гибкими проводами.
26. Поддерживающие конструкции и опоры контактной
сети
Поддерживающие конструкции. Для поддержания
проводов контактной сети на определенной высоте и в нужном
положении относительно пути предназначаются
‘/28*
183
консоли, гибкие, и жесткие поперечины. Консоли
устанавливают на перегонах или отдельных путях станций.
Они обеспечивают механическую независимость работы
контактных подвесок разных путей и являются наиболее
экономичной конструкцией из перечисленных. На станциях и
многопутных перегонах устанавливают жесткие и гибкие
поперечины, перекрывающие до восьми путей. Эти
конструкции связывают механически контактные подвески
различных путей; при повреждении их может нарушиться
работа всех путей, что является недостатком таких
конструкций.
Консоли бывают однопутные, двухпутные и многопутные,
а по форме — прямые и наклонные. Наклонные консоли (рис.
91, а) могут быть только однопутными. Преимуществом их
является необходимость в меньшей, чем при прямой консоли
(рис. 91, б), высоте опоры. Прямые коисоли проще в
изготовлении, поэтому, когда высота опор достаточна,
устанавливают их.
Более удобны в эксплуатации изолированные поворотные
консоли (рис. 91, в), у которых изоляторы врезаны в тягу и в
подкос консоли. При таких консолях возможно производить
работы без снятия напряжения & местах крепления к ним
проводов цепной подвески. Высота опор при изолированных
консолях уменьшается. При размещении опор с внутренней
стороны кривой устанавливают консоли с обратными
фиксаторными стойками (рис. 91, г). Консоли с прямой
фиксаторной стойкой (штриховые линии) применяют на
опорах в выемках и за кюветами при расстоянии от передней
грани опор до оси пути (габаритах) 4,9 и 5,7 м. Двухпутные
консоли (рис. 91, б) выполняют прямыми с двумя тягами и
фиксаторной стойкой для крепления фиксатора второго пути.
Такие консоли устанавливают на опорах высотой 13 м.
Консоли изготовляют из угловой или швеллерной стали, а
изолированные — из труб. С полевой стороны
193
Рнс. 91. Схемы конструкции коисолей:
I — опора: 2 — консоль; 3 — фикса- тор; 4 и 5 — коисоль соответственно с прямой н
обратной стойкой; 6 — двухпутная коисоль; 7 — фиксаторная стойка
на опорах
размешают консоли, на которых подвешива- ют усиливающие
и питающие провода, ВЛ 6(10) кВ продольного
электросиабжеиия, линии ДПР.
Консоли
обозначают
буквами:
наклонные
неизолированные из двух швеллеров HP (наклонная,
растянутая тяга) или НС (сжатая тяга), из трубы НТР и НТС
(трубчатая); изолированные ИТР или ИТС (изолированная), а
из швеллеров ИР или ИС.
Гибкие поперечины представляют собой систему тросов,
натянутых между опорами, установленными по обе стороны
пути (рис. 92). Поперечный несущий трос 2 воспринимает все
вертикальные нагрузки от цепных подвесок и собственного
веса поперечины. Его выполняют из двух, трех или четырех
тросов: обрыв одного из них не приводит к разрушению
поперечины. Верхний фиксирующий трос 1 фиксирует
положение несущего троса, а
194
-Рис. 92. Гибкая поперечина (в скобках даны размеры для участков
постоянного тока, без скобок — для переменного тока)
нижний фиксирующий трос 6 — фиксирует положение
контактного провода цепной подвески относительно оси пути.
Они воспринимают горизонтальные нагрузки, действующие на
провода от ветра, излома проводов в кривых и отводах на
анкеровку. Фиксация контактных проводов осуществляется
фиксатором, укрепленным на нижнем фиксирующем тросе. В
зависимости от числа перекрываемых путей высота опор
гибких поперечин составляет 15 и 20 м. Поперечные несущие
тросы изготовляют из сталемедных проводов сечением 70 и 95
мм2, а фиксирующие — 50 и 70 мм2.
Во все тросы у опор врезаны изоляторы 4, а в нижний
фиксирующий с каждой стороны по два с короткой вставкой 5
между ними. Эти вставки длиной 1 м соединяют
электрическими соединителями 3 с верхним фиксирующим и
поперечным несущим тросами. В результате образуется
нейтральная вставка 5, которая в необходимых случаях может
быть присоединена к контактным подвескам или к
заземленным опорам. Такое при-
195
соединение позволяет проводить работы без снятия напряжения
с контактной сети на подвесках, гибкой поперечине и протирать
изоляторы на ней. Для секционирования контактной сети в
нижний фиксирующий трос в соответствующем междупутье
врезают изолятор 7. Такая изолированная гибкая поперечина
применяется на дорогах, где из-за больших размеров движения
не представляется возможным снимать напряжение с
контактной сети для выполнения ремонтных работ.
На
некоторых
участках
дорог
эксплуатируются
неизолированные гибкие поперечины, в которых изолирован
только нижний фиксирующий трос. Для производства
ремонтных работ на верхнем фиксирующем и поперечном
несущем тросах необходимо снимать напряжение с контактной
сети, что связано с остановкой движения поездов.
Жесткие поперечины представляют собой металлические
фермы (ригели), закрепленные на двух стойках, расположенных
по обе стороны путей (рис. 93). В качестве стоек используют
струнобетонные конические опоры, которые заделывают
непосредственно в грунт или устанавливают на фундаментах.
При анкеровке
проводов на стойках жестких поперечин применяют оттяжки,
196
располагаемые вдоль пути.
Фиксацию
контактных
проводов
осуществляют
фиксаторами, укрепленными на фиксирующем тросе, натянутом
между стойками, или для этой цели служат фиксирующие
стойки. Для увеличения числа перекрываемых путей на стойках
устанавливают одну или две консоли.
Длина ригелей принята от 16,1 до 44,2 м и собираются они
из нескольких блоков.
Поперечины обозначают буквой П с цифрами. Например,
П13-17.7 — первые цифры указывают иа несущую способность
поперечины (в тс-м), вторые — расчетный пролет (в м).
Поперечины с длиной более 29,1 м, на которых устанавливаются
прожекторы для освещения путей станции, обозначаются
ОП29-ЗОД
Жесткие поперечины более просты по конструкции и
экономичны по сравнению с гибкими поперечинами. Однако
при них невозможно проверить состояние точек подвешивания
несущего троса и очистить изоляторы без снятия напряжения с
контактной сети.
Опоры контактной сети. По назначению и характеру
воспринимаемых нагрузок различают опоры:
промежуточные, воспринимающие нагрузку от веса
проводов и горизонтальные усилия от ветра;
переходные, устанавливаемые между анкерными опорами в
местах сопряжения анкерных участков и поддерживающие
провода этих участков;
анкерные,
воспринимающие
полное
натяжение
закрепленных на них проводов контактной подвески;
фиксирующие,
которые
воспринимают
только
горизонтальные нагрузки от изменения направления проводов и
от действия ветра на них.
В зависимости от типа поддерживающих устройств
имеются консольные опоры и опоры жестких и гибких
поперечин. Опоры могут быть деревянными, металлическими и
железобетонными. Деревянные опоры устанавливали в первые
годы
электрификации
железных
дорог.
Наибольшее
197
распространение получили железобетонные опоры, при
использовании которых значительно снижается расход металла
на изготовление опор. Однако из- за большой массы (1,5—2 т)
опор при их установке необходимы подъемные краны; при
транспортировке и установке они часто повреждаются; кроме
того, эти опоры на дорогах постоянного тока подвержены
электрической коррозии.
Металлические опоры устанавливают в тех случаях, когда
нет соответствующих типов железобетонных опор, например,
для гибких поперечин на станциях. К металлическим опорам
удобно крепить различные конструкции и детали, срок их
службы 50 лет, масса в 3—5 раз меньше, чем железобетонных.
Однако применение металлических опор связано с большими
расходами металла, а для защиты от коррозии их периодически
необходимо красить. Металлические опоры выполняют из
угловой или швеллерной стали. Наибольшее распространение
получили опоры решетчатые из уголков, которые используются
в качестве консольных, анкерных и опор гибких поперечин.
Металлические опоры гибких поперечин имеют высоту
15—20 м. Выполняют их на различные нормативные моменты
от 250 до 1500 кН-м. Такие опоры могут быть одновременно и
анкерными. Их устанавливают на железобетонных фундаментах
и закрепляют с помощью анкерных болтов. Фундаменты бывают
монолитными, блочными и свайными.
Железобетонные опоры изготовляют из бетона марки 400 и
500, армированные предварительно напряженной арматурой из
стальных проволок (04—5 мм), типов СКЦ и СКИп
(струнобетонная коническая центрифугированная). Опоры с
индексом «о> — особые, предназначены для установки на
дорогах постоянного тока с повышенной электрической
коррозией. Опоры СКЦ и
198
СКЦо кольцевого сечения (рис.
94,
а)
рассчитаны
на
нормативные
изгибающие
моменты 45, 60, 80 и 100 кН-м.
Их изготовляют длиной 10,8 м и
устанавливают иа фундаментах
(разъемные опоры) и 13,6 м
устанавливают
непосредственно
в
грунт
(неразъемные).
В соответствии с ГОСТ
19330—73 опоры обозначаются
СКЦ-6,0-10,8 или СКЦо-8,
0-13,6
(8 тс-м,
Рис. 94. Консольные
длиной 13,6 м).
железобетонные опоры
Опоры имеют закладные
детали для крепления консолей и кронштейнов. Тип опор
выбирают исходи из необходимой прочности, геометрических
размеров с учетом экономичности.
На ранее электрифицированных дорогах установлены опоры
двутаврового сечения типа СД (струнобетон- иая, двутавровая)
(рис. 94, б).
Устойчивость опор обеспечивается их закреплением в
грунте. Выбор способа закрепления зависит от многих условий
(типа опоры, ее нагрузки, характеристики грунта, наличия места
для устройства оттяжек, подкосов и т. п.). Заделку опор по
схемам (рис. 95, а кв) выполняют при установке промежуточных
металлических и железобетонных опор на фундаментах.
Мощные металлические опоры в слабых грунтах закрепляются
так, как показано на рис. 95, б, а тяжелые опоры с большим
внешним изгибающим моментом — по схемам рис. 95, г, д, е. В
схемах рис. 95, а, б, в фундаменты работают на выворачивание, а
в схемах рис. 95, г, д, е
199
Рис. 95. Конструкции закрепления опор в грунте
происходит погружение в грунт одного и выворачивание
другого фундамента при действии на опору внешнего
изгибающего момента. Силы реакции грунта, показанныестрелками, противодействуют внешним силам и удерживают
опору в вертикальном положении.
Если к опоре приложен опрокидывающий момент ЛД а
предельное значение его, выдерживаемое опорой, равно M„v, то
коэффициент запаса устойчивости к=Мпр/М.
Величина Мпр определяется моментом сил реакции грунта
подземной части опоры, а при установке фундамента — еще и
моментом сил трения грунта о стенки фундамента и сил реакции
грунта на подошву фундамента. Для опор контактной сети и
фундаментов коэффициент запаса принимают равным 2,5—3.
27. Рельсовые цепи на электрифицированных дорогахЗащитные устройства контактной сети
Рельсовые цепи. На электрифицированных дорогах рельсы
являются вторым проводом тяговой сети, поэтому они должны
обладать хорошей проводимостью и быть изолированными от
земли. Первое необходимо для уменьшения потерь энергии и
напряжения в тяговой сети, второе — для уменьшения
блуждающих токов в земле
200
и на металлических подземных сооружениях. Ходовые
рельсы на линиях, оборудованных автоблокировкой или
электрической централизацией, являются одновре менно и
электрическими цепями этих устройств.
Для уменьшения сопротивления в стыках концы звеньев
рельсов
соединяют
стыковыми
соединителями,
привариваемыми к головкам рельсов с внешней стороны
термитной сваркой. Стыковые соединители 2 (рис. 96)
выполняют из провода МГГ-70 мм2 на участках постоянного
тока и 50 мм2 на участках переменного тока. Сопротивление
такого стыка ие должно превосходить сопротивления целого
рельса длиной 3 м при длине рельсов 12,5 м и 6 м — при
длине рельсов 25 м и на уравнительных рельсах бесстыкового
пути. Для выравнивания электрических нагрузок рельсов на
участках,
не
оборудованных
автоблокировкой,
устанавливают через каждые 300 м междурельсовые 1 и через
каждые 600 м междупутные электрические соединители 3
(рис. 96, а). Их изготовляют из провода сечением 40 мм2 в
медном эквиваленте.
На линиях, оборудованных автоблокировкой, чтобы
электрически отделить одни блок-участок от другого,
устраивают изолирующие стыки. В этом случае для про-
201
I
г
В)
Рис. 96. Схемы электрических соединений в рельсовой цепи
202
хождении тягового тока в обход изолирующих стыков 5 с
каждой
стороны
устанавливают
путевые
дроссель-трансформаторы 4 (рис. 96, б). Одновременно они
служат трансформаторами для подачи в рельсовую цепь
сигнального тока на ее питающем конце и приема тока с рельсов
на релейном конце.
Дроссель-трансформатор (ДТ) — это реактивная катушка с
сердечником, собранным из листовой трансформаторной стали
и насаженными иа него основной и дополнительной обмотками.
Дроссель-трансформатор имеет малое активное и большое
индуктивное сопротивление. Сердечник с обмотками помещен в
металлический корпус с крышкой и залит трансформаторным
маслом. Крайние выводы основной обмотки присоединяют к
рельсам, а средний — к среднему выводу ДТ другого пути.
Дополнительную обмотку ДТ через кабель присоединяют к
приборам рельсовой цепи. Если на станциях однониточные
рельсовые цепи, то одну нитку рельсов используют для
прохождения тягового тока, а другую — для токов
автоблокировки. Чтобы улучшить изоляцию цепи СЦБ между
блок-участками, меняют местами тяговой рельс 7 и рельс СЦБ 6,
а между тяговыми рельсами устанавливают продольный
электрический соединитель 8 (рис. 96, в).
На дорогах переменного тока для питания автоблокировки
используется переменный ток частотой 75 или 25 Гц. В
изолирующих стыках устанавливаются малогабаритные
дроссель-трансформаторы, обмотка которых рассчитана на
тяговой ток 500 А.
Защитные устройства контактной сети.
Для защиты изоляции контактной сети и оборудования
электроподвижного состава от атмосферных перенапряжений
служат роговые разрядники.
На контактной сети постоянного тока через 1—1,5 км
устанавливают роговые разрядники с двумя искровыми
промежутками по 5 мм (рис. 97). Один из крайних рогов
203
Рис. 97. Роговый разрядник:
4 — держатель проводов опорного изолятора; 2 — провод к‘контактной подвеске; 3 —
провод к общей линии заземления: 4 — изолятор; 5 — дугога- тельный рог
проводом присоединяют к контактной сети, другой — к рельсу
или заземленным на рельс металлическим конструкциям. В
момент возникновения перенапряжения в .контактной сети
искровые промежутки перекрываются и ток разряда отводится в
рельсы. Рога растягивают возникающую при этом дугу и она
гаснет. Наличие двух искровых промежутков снижает число
ложных срабатываний разрядников.
Контактная сеть переменного тока защищена также 194
роговыми разрядниками (см. рис. 97). Искровой промер жуток
составляет 45—50 мм. Разрядники устанавливают на вершинах
опор сопряжений анкерных участков, у постов секционирования
и отсасывающих трансформаторов, на питающих линиях.
Заземления. Для защиты контактной сети от токов к. з. и
обеспечения безопасности людей при их прикосновении к
металлическим опорам н сооружениям (ферма моста,
путепровод и др.), которые могут оказаться под напряжением
вследствие нарушения изоляции, опоры и сооружения
заземляют на рельсы. Заземления опор могут быть
индивидуальными и групповыми. Индивидуальное заземление
выполняют стальным прутом диаметром 10—12 мм, а групповое
для нескольких опор — общим проводом с сечением 50—70 мм2
и длиной 400— 600 м, который в середине присоединяют к
рельсу или к средней точке дроссель-трансформатора. При этом
уменьшаются блуждающие токи и обеспечивается срабатывание
защиты на подстанциях при нарушении изоляции контактной
сети. Двойное заземление должны иметь мосты, опоры с
разрядниками и опоры на станциях, где возможно скопление
людей. Заземляющие спуски изолируют от земли.
Ограждения. Все устройства, находящиеся вблизи
контактной сети, ограждают для предотвращения случайного
прикосновения людей к сооружениям и частям контактной сети.
К защитным ограждениям относятся щиты, габаритные ворота,
предупредительные знаки и другие устройства. На пешеходных
мостах, путепроводах, расположенных над контактной сетью,
устанавливают предохранительные щиты — вертикальные или
горизонтальные размером 2x2 м; полы не должны иметь щелей.
На переезде через электрифицированные пути с обеих его
сторон устанавливают габаритные ворота высотой
4,5 м и шириной, равной ширине проезжей части.
28. Работа устройств контактной сети в условиях
эксплуатации
Влияние климатических условий на работу контактной
сети. Работа контактной сети в зимних условиях значительно
осложняется. Низкие температуры, образование гололеда на
205
проводах и действие ветра ухудшают условия токосъема, а в
некоторых условиях приводят к авариям, вызывающим
остановку поездов.
Во время низких температур ухудшается работа подвески,
увеличивается трение в шарнирах токоприемника, вследствие
чего ухудшается токосъем. При действии ветра, направленного
поперек пути, контактный провод может быть вынесен за
пределы полоза токоприемника, в результате повреждаются
токоприемник и контактная сеть. Наиболее опасными в этом
отношении являются участки контактной сети, расположенные в
степных районах, на высоких насыпях, на мостах через большие
реки и при подходах к ним. Ветроустойчивость подвески
зависит от натяжения проводов и конструкции подвески.
Применение двойных контактных проводов, ромбовидных и
косых подвесок является эффективным мероприятием по
повышению ветроустойчивости подвески.
Действие ветра при определенных условиях вызывает,
помимо
горизонтальных,
вертикальные
перемещения,
называемые автоколебаниями («пляской») проводов подвески.
Они происходят под действием аэродинамических сил,
возникающих при обтекании воздушным потоком проводов, у
которых в результате износа или отложения гололеда
изменилась форма сечения. Эти колебания возникают на
открытых местах на протяжении 10 км при скорости ветра 6—10
м/с и могут наблюдаться продолжительное время. Размах
колебаний проводов достигает 1 м и более (частота собственных
колебаний системы 0,65—1,0 Гц). При сильных автоколебаниях
проводов токоприемник не успевает следовать за колебаниями
206
подвески и условия токосъема ухудшаются. Возможны также
механические повреждения подвески.
Для предотвращения автоколебаний проводов при
проектировании
и
строительстве
предусматривают
чередование пролетов различной длины: они различаются на
6—8 м. Колебания проводов можно также прекратить снятием
с них гололедных отложений посредство:/ электрической
плавки гололеда, повышенным натяжением проводов,
подвеской грузов на несущий трос в пролете и другими
способами.
Помимо автоколебаний, наблюдаются вибрации проводов,
т. е. колебания с малыми перемещениями (амплитуда 0,5—5
см) и вдвое большими частотами. Вследствие быстро
меняющихся знакопеременных механических напряжений в
местах креплении провода или выхода из зажима происходит
его обрыв.
Большие осложнения при эксплуатации контактной сети
вызывает образование гололеда на проводах. Корка льда
мешает токосъему, способствует искрообразова- нию и
появлению электрической дуги между токоприемником и
контактным проводом, в результате чего наблюдаются
подгары и поджоги контактных проводов, а в некоторых
случаях пережоги и обрывы их. Удаляют гололед с проводов,
применяя механические средства или прогревая провода
электрическим
током.
Использование
скребков
малоэффективно.
Широкое
применение
получил
вибрационный способ очистки контактных проводов от
гололеда.
Электрическим способом удалении гололеда пользуются
на перегонах и главных путях станций, где сечения проводов
подвесок одинаковы. Опыт ряда дорог показал, что для
оплавления уже образовавшегося гололеда на проводах
необходимо иметь плотность тока 6—8 А/мм2. При
профилактическом
подогреве
для
предотвращения
образовании гололеда устанавливают плотность тока 2,5—3,5
207
А/мм2.
Разработаны различные схемы прогрева без прекращения
движения поездов и с перерывом движения. На двухпутных
участках дорог постоянного тока плавку гололеда
осуществляют с полным прекращением движения поездов- на
этот период или с перерывом движения только по одному
пути.
На дорогах переменного тока поочередно прогревают
контактную сеть с прекращением движения поездов только по
одному пути или одновременно контактные подвески обоих
путей до поста секционирования ПС с питанием от одной
подстанции и пёрерывом движения на этом участке (рнс. 98,
а). На рисунке путь тока показан штриховой линией. Пост
секционирования отключают и включают поперечный
разъединитель П. Плавку гололеда ведут с тяговой подстанции
ТПБ через выключатель ВМ4 и обходную шину этой же
подстанции.
Имеются также схемы, позволяющие производить плавку
гололеда без перерыва движения поездов (рис. 98, б). При этом
в течение плавки гололеда контактная сеть разных путей
между подстанциями получает питание от разных фаз одной
подстанции ТПБ, через обходную шнну ОШ тяговой
подстанции ТПА. Напряжение между контактным проводом и
рельсом на каждом пути остается достаточно высоким и
движение поездов не прекращается.
Износ контактных проводов и контактных пластин
токоприемника: При движении токоприемника его пластины и
контактные провода изнашиваются. Износ зависит от
материала контактных пластин и проводов, нажатия
токоприемника на провод, снимаемого тока, рода его, качества
смазкн, климатических условий, конструктивного выполнения
и состояния цепной Подвески и других причин. В большей
степени износ провода определяется током, снимаемым
токоприемником, и материалом контактного провода и
пластин. Усиленный износ наблюдается в местах трогания
208
поездов, а также на
209
а)т
ОРУ 27,Sue
ТПВ
ОРУ 27.Sнб
Рис. 98. Схема плавки гололеда па контактной сети переменного тока с
прекращением (и) и бет прекращения (б) движения поездов (ИВ —
нейтральная вставка)
подъемах, где потребляются большие токи. По это0 причине
износ на линиях переменного тока в 2—3 раза меньше, чем на
дорогах постоянного тока. Плохое состояние подвески,
неравномерная эластичность, наличие гололеда, жестких точек
и сосредоточенных масс являются причинами искрения между
проводом и токоприемником, что приводит к увеличению
износа провода п пластин.
Бронзовые контактные провода более износоустойчивы,
чем медные, нх срок службы в 2 раза больше. Для уменьшения
износа проводов важное значение имеет правильный выбор
материала пластин токоприемника.
Износ контактного провода определяется уменьшением
площади поперечного сечения н характеризуется
210
удельным износом провода и средней удельной потерей медн.
Уменьшение площади сечения провода (мм2), отнесенное в
10000 проходов токоприемника, называют удельным износом,
а уменьшение массы провода (кг), отнесенное к 1000
электровозо-км илн секцие-км, называют удельной потерей
меди. По этим величинам определяют общую потерю меди н
стоимость ее на участке и дороге в целом.
Износ определяют раз в год, замеряя высоту контактного
провода измерительными скобами. Зная высоту, определяют
износ провода по таблицам. Установлен допустимый износ
контактных проводов:
50 мм2 для
МФ-150; 35 мм2 для МФ-100, БрФ-100 и 25 мм2 для МФ-85.
Срок службы контактного провода 6—10 лет.
В последние годы осуществляется автоматическое
измерение износа контактного провода с помощью
токовихревого датчика при скорости движения поезда до 100
км/ч.
Для уменьшения износа контактных проводов в
зависимости от снимаемого тока на токоприемниках
применяют угольные вставки или металлокерамические
пластины. Угольные вставки обладают хорошей полирующей
способностью, но имеют недостаточную прочность и большое
переходное сопротивление в месте контакта, прн больших
токах наблюдаются пережоги проводов. Угольными вставками
оборудованы все токоприемники на дорогах переменного тока
и часть электровозов и вагонов на дорогах постоянного тока.
Металлокерамическне
пластины
имеют
меньшее
контактное сопротивление. В состав материала пластин входят
порошки графита и металла. Пластины на медной основе
обладают более высокой проводимостью н меньше
изнашивают контактный провод. Опыт показал, что при этих
пластинах целесообразно применять сухую графитовую
смазку, которая уменьшает износ пластин и провода. Чтобы
снизить интенсивность износа контактного провода,
электропоезда ЭР2 работают на трех токоприемниках вместо
пяти, а ЭР9П — на двух.
Пережоги контактных проводов. Причинами пережогов
являются несовершенство отдельных устройств контактной
сети, защиты сети и электроподвижного состава, наличие
гололеда на проводах и неправильные действия локомотивных
бригад. Пережоги происходят как прн надежном контакте
между токоприемником и проводом, так н прн наличии дуги в
момент отрыва токоприемника. Вероятность возникновения их
в последнем случае зависит от значения тока.
При к. з. на электровозе в месте контакта токоприемника и
провода происходит пережог последнего, причем вероятность
пережога больше при угольных вставках. Бронзовые и
двойные медные провода более надежны в работе, так как
время пережога первых в 1,5 раза, а вторых в 2,5—2,8 раза
больше, чем медного одиночного провода.
Пережоги проводов контактной сети постоянного тока
могут происходить при проходе токоприемника через
воздушный промежуток изолирующего сопряжения или
секционный изолятор, когда секция, на которую переходит
токоприемник, отключена, но не заземлена. Возникающая дуга
поддерживается рабочим током и тянется на значительное
расстояние. Защита в этом случае не срабатывает ввиду того,
что ток мал по сравнению с уставкой выключателя.
Для предотвращения пережогов провода существует
автоматическая сигнализация, напоминающая машинисту, что
поезд должен проходить изолирующее сопряжение с
опущенным токоприемником (рис. 99). Устройство
сигнализации реагирует на понижение напряжения или его
отсутствие в одной из секций контактной сети. При снятии
напряжения с одной из секций контактной сети автоматически
включаются мигающие огни сигнального знака «Опустить
токоприемник» на этом пути. При этом 9—Б128 201
212
Рис. 99. Схема установки сигнальных указателей «Опустить
токоприемник» на воздушных промежутках двухпутной линии:
/ — сигнальный световой указатель; 2 — шкаф с датчиками напряжения; 3 —
релейный шкаф
машинист обязан опустить токоприемник. Электровоз будет
двигаться по инерции. При наличии напряжения в обеих
секциях огни сигнальных знаков не горят. На таких
изолирующих сопряжениях подвешивают провода с
повышенной термической устойчивостью. 3
Организация эксплуатации и техника безопасности на
контактной сети
Организация
эксплуатации.
Основной
задачей
эксплуатации контактной сети является обеспечение
надежной работы ее и бесперебойного токосъема при
наибольших скоростях движения в любых атмосферных
условиях.
Эксплуатация контактной сети сводится к техническому
обслуживанию ее, текущему и капитальному ремонтам.
Эксплуатацию организует участок энергоснабжения (ЭЧ),
являющийся самостоятельной хозяйственной единицей на
отделении дороги. Участок энергоснабжения обслуживает
участок длиной 150—250 км, в пределах которого
организовано несколько, дистанций кон3
тактной сети (ЭЧК) с эксплуатационной длиной дистанции до
50 км и развернутой длиной до 120 км. На крупных станциях и
на стыковых станциях имеются самостоятельные ЭЧК или
дополнительные дежурные пункты.
В середине обслуживаемого участка на станции
размещают дежурный пункт, имеющий отдельное помещение
или совмещенный в одном здании с тяговой подстанцией. На
территории дежурного пункта нзходят'ся здание, склады,
перегрузочные платформы, площадки для хранения
монтажных приспособлений.
Дежурный пункт имеет селекторную связь с энергодиспетчером и телефонную местную связь. К нему подведены
железнодорожный путь и грунтовая дорога для выезда
восстановительных автомашин.
Каждая ЭЧК имеет автодрезину или автомотрису с
прицепными платформами, автомобиль ГАЗ-63А или
ЗИЛ-164, съемную автодрезину ТД-5 с прицепом н
восемь-десять съемных изолирующих вышек. Штат ЭЧК
составляет 20—35 чел. Руководят работой дистанции
начальник и его заместитель-электромеханик. Имеются одна
или две бригады, производящие самостоятельные работы,
каждая из них состоит из восьми десяти электромонтеров и
сигналистов. Возглавляют их бригадиры.
На ЭЧК установлено круглосуточное дежурство
электромонтера н шофера и всегда готова к выходу
восстановительная дрезина или автомотриса АГВ (рис. 100) с
необходимым запасом материалов, деталей и инструмента для
ремонта или восстановления контактной сети. Каждому
работающему на
ЭЧК
присваивают
определенную
квалифицированную группу и соответствующее право на
производство работ в установках высокого напряжения.
Техника безопасности. Эксплуатационный персонал
производит работы на контактной сети на высоте при
движении поездов и наличии высокого напряжения. Поэтому
для каждого работающего обязательным является 9* 203
214
mi
Рис. 100. Автомотриса АГВ
знание и соблюдение Правил технической эксплуатации
железных дорог (ПТЭ) н Правил техники безопасности и
производственной санитарии при эксплуатации контактной
сети электрифицированных железных дорог и устройств
электроснабжения автоблокировки.
Работы выполняют со снятием напряжения и под
напряжением.
Большинство
работ
выполняют
под
напряжением. Работы под напряжением выполняют с
изолирующих съемных вышек (рис. 101), с изолирующих
приставных лестниц, а также с изолированных площадок
автодрезин. Съемные вышки позволяют проводить работы без
прекращения движения поездов. Запрещено
Рис. 101. Изолирующая съемная вышка:
I — рама; 2 — лестниц»; 3 — раскос; 4 —
рабочая площадка; 5 — шунтирующая штанга
выполнять работы под напряжением на расстоянии менее 0,8
216
м от заземленных частей контактной сети постоянного тока и
не менее 1,5 м — на сети переменного тока, а также во время
грозы, дождя, тумана и мокрого снегопада.
Во время работ со снятием напряжения после отключения
от подстанций контактную сеть надежно заземляют, т. е.
соединяют с ходовыми рельсами заземляющей штангой с
медным гибким проводом сечением 50 мм2 на дорогах
постоянного 25 мм2 — на дорогах переменного тока.
Заземление необходимо для защиты работающих прн подаче
напряжения из-за ошибочного действия персонала или
перекрытий
воздушных
промежутков
изолирующих
сопряжений и секционных изоляторов токоприемниками
поездов.
Работы
осуществляются
по
распоряжению
энергодиспетчера участка не менее чем на два человека с
обязательным оформлением наряда на работу. Работающую
группу ограждают с обеих сторон заземляющими штангами иа
расстоянии от места работ не более 300 м на дорогах
постоянного тока и 100 м на дорогах переменного тока.
На дорогах переменного тока заземление контактной сети
должно предохранять не только от случайного попадания
рабочего напряжения, но и от наведенного напряжения в
отключенных проводах, обусловленного индуктивным
влиянием контактной сети другого пути. Наведенная э. д. с.
достигает 7 кВ и зависит от тока нагрузки, расстояния до
отключаемых проводов и длины сближения. При снятии
одной заземляющей штанги или нарушении ее контакта
работающие могут быть поражены электрическим током.
Безопасность работ на контактной сети зависит от
качества и состояния монтажных и защитных средств.
Разрешается использовать только те защитные средства,
которые прошли соответствующие испытания.
217
Глава четвертая
РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ДОРОГ
30. Условия работы системы электроснабжения. Схемы
питания тяговой сети
В системе электроснабжения электрифицированных
железных дорог нагрузки непрерывно изменяются вследствие
изменения режима ведения поезда, профиля пути, количества
поездов и перемещения их на участке питания. Применение
рекуперативного
торможения
вызывает
появление
отрицательных нагрузок в тяговой сети, а в некоторых случаях
— и иа подстанциях. Ввиду этого неравномерны
результирующие нагрузки на фидерной зоне н в меньшей
степени на подстанциях. Наибольшая неравномерность
нагрузки наблюдается на пригородных участках, что
обусловлено частыми пусками и кратковременными
периодами потребления энергии поездами.
Одновременное потребление тока несколькими поездами и
совпадение их времени трогания создают нагрузку, которая
может превысить среднюю в 2 раза и более. При большом
числе поездов на фидерной зоне график нагрузки
сглаживается.
Изменение нагрузок в тяговой сети вызывает изменение
падений напряжений, а следовательно, и напряжения в тяговой
сети.
При
значительных
понижениях
напряжения,
уменьшаются не только скорости движения поездов, но и
пропускная и провозная способность участка. Для избежания
этого
на
подстанциях
устанавливают
агрегаты
с
регулированием напряжения под нагрузкой, обладающие
большой перегрузочной способностью, что необходимо для
восприятия толчковой тяговой нагрузки.
Система
электроснабжения
электрифицированных
железных дорог оказывает нежелательное влияние на смежные
218
сооружения, вызывая искажение синусоиды тока в сети
внешнего электроснабжения, электрокоррозию подземных
металлических сооружений иа дорогах постоянного тока и
асимметрию напряжения трехфазной питающей системы на
дорогах переменного тока. Эти особенности учитываются при
рассмотрении режимов работы тяговых устройств и в расчетах
системы электроснабжения.
Существуют различные схемы питания контактной сети
перегонов от тяговых подстанций (рис. 102), обладающие
различной степенью надежности и экономичностью. В случае
повреждения контактной сети, получающей питание по схеме
рис. 102, а, выходит из строя только половина участка L, а при
схеме рис. 102, 6 — весь участок. Но схема рис. 102, б более
экономична — это видно из выражений для вычисления потери
напря-
Рнс. 102. Схемы литания контактной сети от тяговых подстанций: а —
одностороннее (консольное) пнтанне н раздельная работа подстанций; 6—
двустороннее - питание н параллельная работа подстанций; в — то же прн
раздельной работе контактной сети главных путей; г — то же при
параллельном соединенны контактной сети обонх путей; д — схема
двухпутного участка с постом секционирования
219
жения AU (В) до поезда и потери мощности АР (кВт)' в тяговой
сети:
для схемы рис. 102, а
IrL
ДР = -
IrL
b.U. = — \ Д Р
PrL
(31)
РгL
4
для схемы рис. 102, б
(32)
где г — сопротивление единицы длины тяговой сети, Ом/км.
В схеме рис. 102, б AU и АР в 2 раза меньше,
следовательно, при двустороннем питании можно принимать
меньшую площадь сечения проводов контактной сети. Кроме
того, более равномерно загружены контактная сеть и тяговые
подстанции. При большем числе поездов схемы рис. 102, а и б
будут экономически равноценными. Для увеличения
надежности схемы рис. 102, б в середине участка устраивают
пост секционирования, на котором для дорог постоянного тока
устанавливают
быстродействующие
выключатели,
а
переменного тока— масляные выключатели. Такая схема
экономична, надежна и обеспечивает защиту контактной сети
при к. з.
Консольное питание (см. рис. 102, а) предусматривается
на небольших по длине участках и в исключительных случаях.
На линиях переменного тока используют также схему рис. 102,
б, но при этом контактную сеть участка подключают на
смежных подстанциях А к В к одной и той же фазе, например, к
фазе а (см. рис. 31). На двухпутных участках используют схемы
питания рис. 102, в, г, д. При схеме рис. 102, в в случае к. з. на
одном из путей отключается только его контактная сеть, а в
схеме рис. 102, г — обоих путей. Однако схема рис. 102, в
менее экономична по использованию сечеиия проводов.
220
Для повышения экономичности, надежности в работе и
обеспечения защиты контактной сети при к. з. применяют
схему с постом секционирования ПС (узловая схема) с
пунктами параллельного соединения ППС1 и ППС2 (см. рнс.
102, д). При узловой схеме (без ППС) уменьшаются потери
энергии на 11—15% по сравнению со схемой рнс. 102, в.
Короткое замыкание в любой точке узловой схемы приводит к
отключению
быстродействующего
выключателя
илн
масляного выключателя на тяговой подстанции и посту
секционирования только того участка, на котором произошло
к. з. На остальных трех участках сохраняется движение
поездов.
Наиболее экономична схема с ПС и ППС. Соединение в
трех точках по длине участка питания обеспечивает
выравнивание нагрузок в проводах путей, уменьшение потери
напряжения, а снижение потерь энергии достигает 21—24% по
сравнению со схемой рис. 102, в. При рекуперации оказывается
возможным передавать энергию на другой путь локомотивам,
работающим в тяговом режиме. Пункты параллельного
соединения устраивают в местах, где наблюдается наибольшее
падение напряжения, а на изломанном профиле — на
подъемах. Принято устанавливать ППС в двух-трех точках
между подстанцией и постом секционирования. Пункты
параллельного соединения обеспечивают автоматическое
разъединение и соединение контактных подвесок путей с
помощью разъединителей и выключателей. 4
4
Режим нагрузок и напряжения в тяговой сети
Неравномерность
режима
нагрузок.
Системы
электроснабжения в целом и особенно отдельные фидерные
зоны
электрифицированных
дорог
отличаются
неравномерностью нагрузок, что объясняется:
221
неравномерной потребляемой мощностью поездами (пуск,
движение по автоматической характеристике, выбег,
торможение);
различными весовыми нормами и скоростями движения
поездов, а следовательно, и разной потребляемой энергией;
зависимостью нагрузки фидеров подстанции от места
нахождения поезда на участке питания;
густотой движения поездов и
характером-графика
движения;
техникой ведения поезда и его типом (грузовой,
пригородный) и другими факторами.
Кривая движения (рис. 103) имеет следующие периоды: /|
— пуск; U — движение по автоматической характеристике; U
— выбег и U — торможение. Здесь Тт — время хода поезда под
током; Т — полное время работы поезда на участке.
Движение
поезда
сопровождается
неравномерной
потребляемой энергией.- Пик тока обусловлен большими
силой тяги н ускорениями, характерными для пригородного
движения, трамвая и особенно метрополитена 4000—5000 А.
К нагрузке тяговых двигателей добавляются нагрузки
собственных нужд поезда (питание двигателей вентилятора,
компрессора,
генератора,
освещения,
отопления).
Нагрузки эти непостоянны и
некоторые
из
них
изменяются от нуля до
максимального знат чения.
Магистральное
движение характеризуется
более
равномерным
потребляемым током, т. е.
103. Кривая движения v (<)
более
равномерной Рис.
и диаграмма потребления тока I
нагрузкой
(0 поездом
на тяговую сеть и подстанции. Нагрузки, создаваемые
движущимися поездами, вызывают во всех элементах системы
электроснабжения потери напряжения, мощности и связанный
с этим нагрев оборудования подстанции, токоведущих частей и
проводов тяговой сети.
Влияние изменений напряжения на работу электроподвижиого состава постоянного тока. Уровень напряжения на
токоприемнике движущихся поездов постоянно меняется, что
влияет на режим работы тяговых двигателей и
вспомогательных машин. Изменения напряжения могут быть
длительными и кратковременными. Длительные приводят к
изменению скорости движения поездов, кратковременные не
оказывают влияния иа скорость ввиду большой механической
инерции поезда, но иногда могут привести к затруднениям в
ведении поезда, а в некоторых случаях и к авариям.
Напряжение U„ на токоприемнике поезда определяется
разностью напряжения подстанции UT„ и потерей напряжения
IRKC до токоприемника этого поезда, т. е. Un — Um—/Яке
Потеря напряжения за период пуска практически не
оказывает влияния на скорость, так как напряжение на
двигателях регулируется реостатами на электровозах
постоянного тока и изменением коэффициента трансформации
трансформатора на электровозах переменного тока.
В режиме тяги на безреостатиых позициях скорость
движения Vi зависит от напряжения U в тяговой сети. Как
известно из курса тяги, при изменении напряжения скорость
изменяется следующим образом:
Сила тяги F=cIQ) не зависит от напряжения на двигателях,
а пропорциональна току / и магнитному потоку
223
Ф. При снижении напряжения в
тяговой сети скорость поезда
уменьшается, что приводит к
уменьшению
пропускной
способности участка дороги.
Пусть поезд двигался со
скоростью Vi при токе силе
тяги Ft и напряжении Ut (рис.
104).
При
снижении Рис. 104. Характеристика
напряжения до Ui скорость в тягового двигателя постоянного
первый
момент
останется тока последовательного
прежней вследствие инерции возбуждения
поезда, а ток и сила тяги
уменьшаются соответственно до h и Fi. Вследствие
уменьшения тока сила тяги тоже уменьшится и скорость поезда
начнет снижаться, постепенно достигая значения v2.
Если профиль пути остается прежним, то ток и сила тяги
через некоторое время возрастут почти до первоначального
значения и станут равными 1[ и FJ, причем /,'</, (из-за
уменьшения сопротивления движению при снижении
скорости). Таким образом, тяговые двигатели будут
продолжать работать иа скоростной характеристике,
соответствующей более низкому напряжению U2.
При увеличении напряжения в тяговой сети от U2 до Ut в
первый момент будет наблюдаться увеличение тока и силы
тяги, вследствие чего поезд получит ускорение и приобретет
новую установившуюся скорость. Ток и сила тяги затем станут
немного больше первоначальных значений ввиду увеличения
сопротивления движению при увеличении скорости.
Плавное повышение или понижение напряжения в тяговой
сети не ухудшает работу тяговых двигателей
224
и ие приводит к нежелательным динамическим явлениям в
составе
поезда.
Большую
опасность
представляет
кратковременное
резкое
изменение
напряжения
на
токоприемниках поездов (в режимах как тяги, так и
рекуперации), вызванное сбросом нагрузки другими поездами,
находящимися на этом же участке питания.
Кратковременное понижение напряжения не опасно для
тяговых двигателей, работающих в режиме тяги, так как при
этом лишь уменьшается их нагрузка. Но оно может быть
опасным для поезда, так как вследствие уменьшения силы тяги,
и возникающих при этом динамических усилий (сначала
сжатие состава, а затем растягивание его) может произойти
(особенно при холмистом профиле) разрыв состава. Резкие
повышения напряжения опасны как для двигателей, так и для
состава поезда. При резком увеличении тока (скорость поезда
не может быстро измениться) возможно появление кругового
огня на коллекторах тяговых двигателей и повреждение их.
Кроме того, значительный толчок силы тяги может привести к
поломке зубчатой передачи, бок- сованию колес электровоза и
разрыву сцепных приборов поезда. Ток будет тем больше, чем
более повышается напряжение и чем выше насыщение
двигателя в момент повышения напряжения, т. е. когда
двигатели работают на нижней части характеристики.
Во время рекуперативного торможения напряжение на
двигателях должно быть выше напряжения сети. Тормозное
усилие зависит от тока рекуперации, который определяется
разностью э. д. с. электровоза и напряжением тяговой сети.
Изменение напряжения в сети приводит к изменению этой
разности. Резкое снижение в сети вызывает увеличение
тормозного усилия. Увеличение же напряжения приведет к
резкому сбросу нагрузки двигателей и уменьшению
тормозного усилия поезда, что повлечет за собой снижение
безопасности движения.
225
Изменения напряжения в тяговой сети оказывают влияние
на нагрев тяговых двигателей и работу вспомогательных
машин электроподвижного состава. Нагрев двигателей
обусловливается значениями тока и напряжения, а также
системой их вентиляции. Ток определяет нагрев обмоток
двигателя, а напряжение — стали. При снижении напряжения
условия охлаждения тяговых двигателей ухудшаются как для
двигателей с независимой вентиляцией, так и для двигателей с
само- вентиляцией. Для первых это объясняется уменьшением
скорости вращения якоря двигателей вентиляторов и самих
тяговых двигателей при самовентнляции. Перегрев двигателей
может наступить при длительных понижениях напряжения и
неправильном применении режима ведения поезда (ослабление
поля) на затяжных подъемах.
Мотор-компрессор работает в режиме периодически
повторяющихся включений в зависимости от изменения
давления в главных резервуарах. При снижении напряжения в
тяговой сети для выполнения той же работы, что и при
нормальном напряжении, мотор-компрессор будет работать
большее время и с перерывами меньшей длительности. Это
может привести к увеличению его нагревания. Для надежности
работы пневматических тормозов и безопасности движения
при понижении напряжения на электровозах устанавливают по
два мотор- компрессора с одинаковой подачей, а на
электропоездах — по одному иа каждом моторном вагоне.
Для предотвращения влияния изменения напряжения в
тяговой сети на работу мотор-генератора применяют
регуляторы напряжения, которые обеспечивают поддержание
его в цепях управления близким к 50 В. Помимо этого,
параллельно
генератору
управления
подключают
аккумуляторную батарею, которая заряжается от этого же
генератора и является его резервом.
Резкие колебания напряжения в тяговой сети не 215
опасны и не отражаются на работе вспомогательных машин,
так как последовательно с каждой из них в цепь включены
демпфирующие резисторы, которые уменьшают толчки тока
при колебаниях напряжения.
Влияние изменения напряжения на работу элеКтроподвижного состава на дорогах однофазного тока.
Сопротивление тяговой сети, трансформаторов подстанций,
коэффициент мощностИ'И к. п. д. электровоза оказывают
большое влияние на потери напряжения в сети, а
следовательно, на уровень напряжения на токоприемнике
электровоза
и
внешнюю
характеристику
его
преобразовательного агрегата. Наличие регулирования
напряжения на трансформаторе электровоза (изменение
коэффициента
трансформации)
позволяет
изменять
напряжение иа тяговых двигателях и скорость движения в
определенных пределах.
Из-за наличия большого индуктивного сопротивления
цепи резкое изменение напряжения на токоприемнике не
приводит к большим колебаниям тока тяговых двигателей,
когда электровоз находится на значительном расстоянии от
подстанции. Вблизи же подстанции не наблюдается больших
колебаний напряжения, а следовательно, и тока в тяговых
двигателях. Поэтому на дорогах переменного тока колебание
напряжения в сети не вызывает резких изменений тока и тех
нежелательных последствий, которые наблюдаются на дорогах
постоянного тока.
Длительное понижение напряжения приводит к
увеличению нагрузки в тяговой сети, внешняя характеристика
преобразовательного агрегата электровоза будет более
крутопадающей, что приведет к значительному снижению
скорости поезда. При переходе в этом случае на высшую
ступень
регулирования
(уменьшением
коэффициента
трансформации) сначала повышается напряжение и при этом
частота вращения тяговых двигателей увеличивается, а затем
уменьшается. Это объясняется увеличением потерь
227
напряжения, вызванным увеличением тока в первичной
обмотке трансформатора электровоза, трансформаторах
подстанции и в контактной сети. Снижение напряжения
приводит к ухудшению условий работы вспомогательных
машин электровоза. Для уменьшения индуктивности тяговой
сети, повышения коэффициента мощности на подстанциях
применяют емкостную компенсацию: иа шинах тягового тока
27,5 кВ устанавливают конденсаторную установку.
Для обеспечения заданных размеров движения,
нормальных условий работы и надежности электроподвижного состава на линии напряжение в тяговой сети и на шииах
подстанции нормируют. На дорогах постоянного тока
номинальное напряжение на шинах подстанции принято
равным 3300 В, среднее напряжение на токоприемнике поезда
во время потребления им энергии на любом блок-участке
должно быть не менее 2700 В, а максимальное
кратковременное допускаемое — 3850 В на линиях, иа
которых не применяют рекуперативного торможения, и 4000 В
при использовании этого торможения. Для тяговых расчетов
это напряжение принимают равным 3000 В.
На дорогах однофазного тока напряжение на шинах
тягового тока подстанции принято равным 27,5 кВ,
минимальное напряжение в тяговой сети — 21 кВ, а
максимальное — 29 кВ. Условное номинальное напряжение в
контактной сети для тяговых расчетов принимают равным 25
кВ. Кратковременные толчки напряжения не нормированы.
Влияние напряжения на пропускную способность участка.
Тяговые расчеты выполняют при некотором среднем
напряжении (например 3000 В). В эксплуатации же тяговые
двигатели работают при непрерывно меняющемся напряжении
в тяговой сети. Поэтому время хода и скорости движения
поезда по перегонам, полученные при расчете, не
соответствуют режиму на
228
пряжения в тяговой сети. Возникает необходимость
определять
поперегонное
время
хода
с
учетом
действительного режима напряжения и корректирования
пропускной способности.
При разгоне поезда, выбеге и торможении скорость его не
зависит от напряжения. Следовательно, скорость зависит от
напряжения за период движения поезда только по
автоматической характеристике и она пропорциональна
напряжению. Время же хода обратно пропорционально
напряжению. Если при t/, время движения по автоматической
характеристике tau то при U2 и неизменном режиме движения
(U2<Ui) время хода
м
— (а2
*<21
ч±. t
(34)
и, °х2
Увеличение времени хода поезда по перегону составит
~
t0
(35)
Пусть полное время движения поезда по участку при U i
составило U , тогда при U 2 время
t
2=
*, + "^*1 + (^--l)*<I1.
Так как изменение напряжения заранее неизвестно, то
принимают его среднее значение Ucv. Тогда
где lh и 11 — соответственно напряжение, при
котором выполняют тяговые расчеты, и время
хода поезда.
229
Об)
Среднее
напряжение
на
токоприемнике
можно
определить, зная напряжение холостого хода подстанции U0,
среднюю потерю напряжения на подстанции UT„ и в тяговой
сети UTC.
^ср^О-^тп-^тс.
(38)
Пропускная способность перегона зависит от скорости
движения поездов. Интервал попутного следования
определяется принятым средством связи (автоблокировка и
др.). Если интервал 0i соответствует (Л, то при
Uct
Тогда
перегонная
пропускная
способность
для
параллельного графика за расчетный период Т (сутки) будет
соответственно:
N l = T /6j и лг2 = г/е2
(40)
Регулирование напряжения. Для компенсации потерь
напряжения во всех элементах системы электроснабжения до
электровоза или иетяговых и районных потребителей
осуществляют регулирование напряжения. Оно позволяет
улучшить качество электроснабжения элек- троподвижного
состава, повысить скорость, стабилизировать или увеличить
пропускную и провозную способность участка. Для этого
предназначены
трансформаторы
с
регулированием
напряжения под нагрузкой и установки продольной или
поперечной компенсации.
Регулирование напряжения на трансформаторе под
нагрузкой производится изменением числа витков первичной
обмотки,
которая выполняется
с
дополнительными
ответвлениями (на всех трех фазах). Переключение
230
происходит
автоматически
от
реле
напряжения
переключающим устройством без перерыва тока в глав-
231
иой цепи. Регулирование осуществляется в пределах ±16%
(девять ступеней по 1,78%)•
На подстанциях дорог переменного тока использовать
типовую схему при трехфазиых трансформаторах невозможно
из-за неравномерности нагрузки трансформатора по фазам.
При соединении трансформатора по схеме звезда —
треугольник и нагрузке одного тягового плеча питания (см.
рис. 31) уменьшается напряжение в двух фазных обмотках и
увеличивается в третьей. По- фазное регулирование также
нежелательно, так как оно вызывает недопустимый
нагрев'трансформатора.
При параллельной работе подстанции в случае разности
напряжений на шииах соседних подстанций возникает
уравнительный ток и увеличиваются потери в сети.
Ввиду частых изменений тяговой нагрузки желательно
применять регуляторы с подмагничиванием сердечников
постоянным током. Оии обеспечивают стабильность
напряжения, просты и надежды в эксплуатации.
Продольная и поперечная емкостная компенсация. На
дорогах переменного тока для повышения коэффициента
мощности тягового электроснабжения и улучшения режима
напряжения осуществляют продольную и поперечную
емкостную компенсацию с помощью конденсаторных
установок. Для продольной компенсации установки включают
последовательно с тяговой сетью. Оии служат для уменьшения
индуктивного сопротивления цепи, а следовательно, и для
компенсации потерь напряжения в тяговой сети.
В случае увеличения нагрузки тяговой сети одновременно
увеличиваются падения напряжения в ней и в конденсаторах, а
так как эти падения напряжения имеют противоположные
знаки, то напряжение на шинах подстанции сохраняется
неизменным. Установки продольной компенсации, помимо
этого, улучшают коэф*
фициент мощности всей системы электроснабжения..
232
Конденсаторные установки поперечной компенсации
включают параллельно тяговой нагрузке (см. рис. 24).
Они предназначаются для компенсации реактивной
мощности и уменьшения несимметрии напряжений.
32. Параметры тяговых сетей
При расчете тяговых сетей необходимо знать
сопротивление проводов контактных подвесок, рельсовой
сети, питающих и отсасывающих проводов, а в некоторых
случаях — и переходные сопротивления рельс—земля. За
исходный параметр принято сопротивление 1 км тяговой сети
г, которое представляет собой сумму сопротивлений проводов
гПр и рельсов rD. На дорогах используют рельсы Р50, Р65 и Р75.
Параметры
тяговых
сетей
постоянного
тока.
Сопротивление проводов
'пр - Р/*■
(41)
где 5 — площадь поперечного сечения провода, мм2.
Сечение проводов контактной сети выражают в
эквиваленте меди, например при медных и алюминиевых
проводах (проводимость алюминия в 1,65 раза меньше, чем
меди)
г=
пр
Рм 10
'
sM+WI,65
(42)
1
1
*
где рм — удельное сопротивление медн, Ом-м;
5м и s, — соответственно площадь сечения медных и алюминиевых
проводов, мм2.
Сопротивление рельсов чаще выражают не через площадь
поперечного сечения, а через массу 1 м рельса GP.
Сопротивление одного пути (две нити рельсов при
233
4=25 м) будет /■p=0,85/GPl а сопротивление двух путей
Гр=0,43/Ср Ом/км.
При расчете в условиях эксплуатации учитывают износ
контактных проводов и рельсов, т. е. вычисляют
сопротивления по фактическому состоянию тяговой сети.
Пример. Контактная сеть состоит из двух проводов МФ-100, несущего
троса М-120 и двух усиливающих проводов А-185; ходовые рельсы Р'65.
Требуется определить сопротивление тяговой сети двухпутного участка
линии постоянного тока:
18-I09
0,43
■Г — г + г„ = ------------------------------------------- к- + ---------- = 0,04 Ом/км.
пр р
9
(2004-1204-2-185/1,65)-Ю
65
Действительное
сопротивление
ходовых
рельсов
отличается от значений, определяемых по приведенным
формулам, из-за шунтирующего действия грунта. Так как
рельсы не изолированы от земли, то часть тягового тока будет
стекать в землю и проходить по ней. Переходное
сопротивление рельсы — земля г„ зависит от состояния шпал,
балласта, времени года, влажности л т. п. В летний период оно
может составлять 0,25 Ом/км, а в зимний при промерзании
балластного слоя может увеличиваться в 10—100 раз.
Шунтирующее действие земли увеличивает проводимость
рельсового пути, и фактическое сопротивление рельсов можно
определить как Гфр=/сгр (здесь к — коэффициент, зависящий
от значения г„; к<1).
Параметры тяговых сетей переменного тока. Падение
напряжения в тяговой сети переменного тока определяется
активным и индуктивным сопротивлениями. Активное
сопротивление зависит от материала, поперечного сечеиия и
формы проводника. Оно больше сопротивления постоянному
току из-за наличия поверхностного эффекта, в результате
которого плотность тока по площади сечения проводника
неодинакова: больше у поверхности и меньше в центральной
части. Явление
234
поверхностного
эффекта
обусловлено
магнитной
проницаемостью материала, частотой тока и поперечными
размерами проводника.
Для медных и алюминиевых проводов при частоте /=50 Гц
влиянием поверхностного эффекта пренебрегают и принимают
активное сопротивление проводов равным их сопротивлению
постоянному току. У ходовых рельсов, обладающих высокой
магнитной проницаемостью и имеющих большую площадь
поперечного сечения, влияние поверхностного эффекта
оказывается значительным. Активное сопротивление рельсов
превышает сопротивление постоянному току в 5—10 раз и
зависит от протекающего тока.
Имеется несколько формул для определения активного
сопротивления рельсов. Для примера приводим формулу, по
которой
приближенно
можно
определить
активное
сопротивление рельсов однопутного участка,
гр
= 0,75/Ср + 0,5 (Gp / + 3,7яст) 10-4 Ом/км, (43)
где Пет— количество стыков на 1 км пути.
Индуктивное сопротивление х тяговой сети при
переменном токе обусловлено индуктивностью и взаимной
индуктивностью контактной сети и ходовых рельсов. Значение
его зависит в основном от взаимного расположения проводов
контактной сети и рельсов и в меньшей степени от материала и
формы проводника.
Полное сопротивление 1 км тяговой сети
Z = V r j + x2 или г = Га + jx
(44) 5
5 Расчет мгновенных схем
Схему нагрузок на участке питания с указанием их значения и
места приложения в определенный момент
времени называют мгновенной. Расчет мгновенных схем:
223
сводится
к
определению
нагрузок
подстанций,
их
h
In
фидеров, потерь напряжения и
мощности в контактной сети.
iK
Обозначим: Л, /2, ..., /п—
In
токи, потребляемые поездами,
Рис. 105. Схема одностороннего
питания
A; U, U, .... 1п — рас
стояния от подстанции до
поездов, км; л=лпр+гр — сопротивление 1 км тяговой сети,
Ом/км. Сопротивление питающих и отсасывающих проводов
относительно мало и при расчете его не учитывают.
Одностороннее питание. Нагрузка подстанции /п (рис.
105) равна сумме нагрузок всех поездов, т. е.
1—п
ЙГ—
If
h
it
/
п=/1 +
/
2 +
/
3 ■■+/В=2/Ь
(45>
(-1
Потеря напряжения до токоприемника fe-ro поезда ‘будет
равна сумме потерь напряжений от токов поездов,
находящихся на участке между подстанцией и этим поездом
включительно, и потерь напряжения от токов поездов,
находящихся далее за поездом k, т. е.
А
г + *.£/,)
\<=i
f=i»+1 /
не)
где /, — ток, потребляемый одним поездом, А;
U — расстояние до i-ro поезда, км.
Максимальная
потеря
напряжения
будет
иа
токоприемнике последнего п-го поезда, т. е. при k=n получим
A
(47)
i=i
236
Рис. 106. Мгновенная схема
нагрузок (а), диаграммы токораспределеиия (б) и потерь
напряжения (в)
\
1,-/2км
12-10КМ
I J =5 KM
U
-ЗОВ
А\
I 1=200А
1у500А '
А
б)
Потерю мощности определяют как разность между
мощностью, отдаваемой подстанцией Ри, и суммой мощностей,
потребляемых поездами.Рс:
др = Рп - Р с » 2 Ш с - 2 (Ш - ДU, Г,) = 2 w ‘ >ь i=i /=i
i-i
где &L/ t — потеря напряжения до каждого токоприемника поезда.
При рекуперирующих поездах токи их принимают с
отрицательным знаком. Для определения потери напряжения
только в проводах контактной сети в формулы следует вместо г
подставить гпрПример. Определить ток подстанции, потерю напряжения дотокоприемника каждого поезда и потерю мощности в тяговой сети для
схемы рис. 106, а, построить также диаграммы токораспреде- леиня (рис.
106, б) и потерь напряжения (рис. 106, в).
Сопротивление г=гПр+гр=0,1 Ом/км.
Найдем ток подстанции А: /л=300+200+500=1000 А.
Потеря напряжения до токоприемника поездов 1, 2, 3 будет
соответственно:
ДU 1 = rl 1 f 1 +г/1(/2 + /3) = 0,1-5-300 + 0,1.5-700 = 500 В;
и
г +г1.г (/
Д 2 = г/| г
2
+ /3) = 0.1-5-300 + 0,1-10-700 = 850 В;
225
Д7/3 = r (/,/, +12 /2 +13 /3) = 0,1 (5-300 + 10-200 +
+ 12-500) = 950 В.
Потери мощности иа участке питания
ДР = Д /, + ы/ 2 /2 + Ш ъ /3 =
= 500-300 + 850-200 + 950-500 = 795 кВт.
Двустороннее питание. В первую очередь определяет токи
подстанций 1А и 1В (рис. 107). Затем находят AU и ДР в
контактной сети. Пусть напряжение подстанций ИАф11в,
расстояние между ними L, расстояние от -подстанции до
нагрузки х и L — х. Сопротивление 7='пр+Гр. Напряжение на
токоприемнике поезда от подстанции А будет UA—AUX Н
UB—A(/*.-* — от подстанции В. Так как одновременно не
может быть двух различных напряжений на токоприемнике, то
UA-M* = UB-ML-x,
(«)
где
ДU x = Г А гх\ ДU L_x = I Br (L — х).
Проведя преобразования и заменив
/А+/В=/Ш найдем
+
С
If
. L-x U A -U R
' Б = Г „Т~
U,~U„7 1
Подставляя эти
X значения в формулу
(51)
называют (49), получим
Величину —^—“ у
хоком. Он протекает от подстанции
= UB-lbr{L~x)
UA-,Arx
уравнительным с
более высоким
Рис. 107. Схема двустороннего питания нагрузок
238
напряжением к подстанции с меньшим напряжением и
вызывает дополнительный нагрев токоведущих частей и
потери энергии в линии. Подстанция с более высоким
напряжением берет на себя большую нагрузку.
Если на участке питания находятся несколько поездов и
UA=UB, то
2'п
|=1
‘в-2‘п
(52)
Определив токи подстанций и последовательно вычитая
токи поездов из нагрузки подстанции, находят точку
токораздела, к которой ток притекает с двух сторон. Если все
поезда работают в тяговом режиме, то имеется чаще всего одна
точка токораздела, причем она будет обязательно на
токоприемнике одного из поездов. В этой точке наблюдается
наибольшее падение напряжения (рис. 108, а), и сеть может
быть разделена относительно ее на две схемы одностороннего
питания (рис. 108, б).
Потери напряжения до любой нагрузки определяют так же,
как в схеме одностороннего питания, а потери мощности на
участке двустороннего питания равны сумме потерь
мощностей на обоих консольных участках.
Пример. Определить токи тяговых подстанций и найти точку токораздела
для схемы рис. 108, а (г=0,1 Ом/км):
' А - 2 >nl L —^- = 30°| + 15oij> + 9001» - 625 А;
П
а
1 В = ^ f ni А = (300+150+900) - 625 - 725 А.
Точка токораздела находится в месте расположения нагрузки /з,
относительно которой сеть можно разделить иа два консольных: участка
(рис. 108, б).
239
Рис. 108. Токораспределеиие приВдвустороннем питании
)
Потери напряжения А И в (от подстанции В ) н А U A (от под- •станция
А ) будут наибольшими:
Д7/ Й =(/ В г(£ — / 3 ) = 725 0,1 10 = 725 В;
W A =r(/i 'I +^ 2 + V 3 ) = 725 В.
Потери мощности на участке двустороннего питания
ДЯ=0,1(625*-5+3252-10+175* 5+725» 10)=840 кВт.
Узловое питание. Узловой называют схему, в которой
нагрузки получают питание от трех н более источников (рис.
109). Определим токи подстанций А, В и С. Причем
IIA~UB=Uc—U■
Длины участков обозначим LA, LB, Lc, сопротивления 1 км
соответственно гА, гв и гсПри расчете таких схем
полагают, что имеется фиктивная
la*
подстанция, расположенная в
Сл * узловой точке О. Напряжение ее
U0<U. Тогда каждую ветвь АО,
lz
ВО, СО можно рассматривать
Рис. 109. Токораспределеиие при как двустороннюю схему с
узловом питании
различными напряжениями
подстанций: U и U0.
Принимают,
чтотокн
выходят с подстанции О (нагрузки показаны только для
участка АО); для них можно написать следующие уравнения:
240
' ол
и~и0
2("> д
LA
1
(53)
А
и-ио
2 ("h
L
А
f
r
B
(54)
BLB
U — U о
2("> с
rc Lc
(55)
Согласно закону Кирхгофа сумма токов в узле равна нулю:
22 (/;) /1 1 1 \
—г - - ( ^- ^о ) ( 7 7 1 7 +7 ^ 7 + 7 ^) = ° -
Обозначив сумму проводимостей всех ветвей узловой
схемы 1/Дэ. получим
_ 2<"> и-и0 = р3'^=^1Г(57)
Ток любой подстанции, например А,
.
2h^A-h) . и-и0
+гг
r
A
l
A
ГА иА
(58)
‘Л
Подставляя в формулу (58) значение из формулы (57), получим
l>'(LA-h)
где
+
Rs
Г
А
уL 2(
A ■“
2<">
L
(59)
г , L „ - Л А.
'А А
Тогда формула примет вид
'А
— 2/(/м~/0
+ 1А 2 L
241
„ 2(/,)
(60)
Рис. ПО. Мгновенная схема н токораспределенне при узловой схеме
Для токов других участков формулы будут аналогичными,
изменяется только индекс.
Пример. Рассчитать токи питающих линий (фидеров) подстанций А и
В для схемы рис. ПО. Сопротивления тяговой сети главных путей
одинаковы и равны г=0,1 Ом/км. Проводимость узловой схемы
11 1 11
+ 7 Т +"
r
гмЧ
ГВЛ L1 ГВ2 L1
1
11
1
0,1 10
A2Ll
0,1-10
0,1-15
- 3,34 См.
0,1-15
К.
1
Найдем х Л1=хД2=Т-Х7=З^4=°>3:
АИ
х Й1=ХВ2=;Щ=0,2;
тогда Ai+l'A2+ABA+xa2_1- Токи
фидеров подстанций:
Г
А 1 = ---------- т ---------------- +
^А
= 4°° ^ + °, э ( °°-i _ 2 0 0 +
4
600
X
A2J L
^ + 300 - 400|^) =
= 240 +0,3-746 = 464 А;
230
На рис. 110 штриховыми стрелками показано распределение токов.
Сумма токов поездов равна сумме токов фидеров обеих подстанций:
400 А — 200 А + 600 А + 800 А — 400 А =
= 4G4 А + 224 А + 496 А + 16 А.
Значения ДС/ и АР определяется так же, как и при консольном питании.
Расчет мгновенных схем при переменном токе. При
расчете сетей однофазного тока нагрузку и сопротивление
представляют комплексными величинами, так как они
содержат активные и реактивные составляющие. Кроме того,
учитывают активную и реактивную мощность, потребляемую
подвижным составом. Полное сопротивление тяговой сети
выражается как
У
г=
г\ + х 2 или z = r a + jx,
где г, их — соответственно удельные активные и реактивные
сопротивления сети, Ом/км.
Для мгновенной схемы определяют активные и
реактивные нагрузки подстанций, потерю напряжения и
потери мощности в тяговой сети. Расчет можно выполнять
графически построением векторных диаграмм (точный расчет)
и аналитически.
Рассмотрим векторную диаграмму для одностороннего
питания с одной нагрузкой на участке (рис. 111, а
и б). Вектор Оа представляет собой напряжение UT на
243
токоприемнике поезда и опережает вектор тока I на угол <р. От
конца вектора U-, (точка а) отложен вектор ab, совпадающий
по фазе с / и представляющий собой активное падение
напряжения, равное Ilra. Перпендикулярный ему вектор вс —
это индуктивное падение напряжения Их. Вектор ас — полное
падение
напряжения
в
тяговой_сети,
равное
Ilz
(геометрическая сумма векторов ab н Ьс). Замыкающий вектор
Ос представляет собой напряжение подстанции.
Для работы подвижного состава и расчетов важно
знать не падение напряжения (вектор ас), а потерю его At/ до
токоприемника поезда, которая равна арифметической
разности напряжений подстанции t/n и на
токоприемнике t/T (отрезок ad или а'с).
Чтобы упростить расчеты, пренебрегают отрезком ей,
заменяя ай отрезком ае, т. е. определяют At/i (продольная
составляющая падения напряжения), значение ко-
Рис. 112. Мгновенная схема (а) и векторная диаграмма (б) для случая
двух нагрузок при консольном питании
Рис. 111. Мгиовеииая схема
(а) и векторная диаграмма (б)
244
при одной нагрузке и консольном питании
10-5128
245
торого мало отличается от AU. Проектируя векторы ab и Ьс на
прямую Od, получим
A U a A U l ^ = l l ( r t cos 9+JE sin <f).
(61)
Д(/ = 2 I , 1, ( r a c o s < e + x s l n < f ) .
(62)
По этому уравнению можно определить потерю
напряжения без построения векторной диаграммы. На
диаграмме показано разложение полного тока подстанции на
активную /па и реактивную /пр составляющие. Угол срп — сдвиг
фаз между напряжением и током на шинах подстанций.
В случае нахождения на участке двух поездов при
одностороннем питании (рис. 112, а) отрезок Оа (рис. 112, б)
изображает напряжение на токоприемнике второго поезда.
Отрезки ab и Ьс представляют собой соответственно активное
1ггл(1%—U) и индуктивное
1гх(1г—1\) падения напряжения на участке между поездами.
Вектор Ос есть напряжение на токоприемнике первого поезда.
Суммируя геометрически токи поездов Л и h, получаем ток
подстанций на участке от подстанции др первого поезда, он же
является нагрузкой подстанции. Отрезки cd и de —
соответственно активное /rali и индуктивное Шх падения
напряжений на участке А1, а вектор Ое — напряжение
подстанции А. Потери напряжения в сети между подстанцией
и вторым поездом выразятся отрезком ag или fe, а до первого
поезда — отрезком ке.
Если нагрузки имеют одинаковый сдвиг фаз по
отношению к приложенным напряжениям, равный ф, то
потеря напряжения до токоприемника удаленного поезда
может быть найдена приближенно по формуле
П
i-i
Потеря мощности в тяговой сети определяется активным
сопротивлением ДP=I2rJ, которую рассчитывают
для каждого участка между поездами и подстанцией, а
затем
полученные
значения
При двустороннем и
многостороннем питании нахо
суммируют. При этом ток на
Рас. 113. Токораспределение при каждом участке представляет
двустороннем питании
собой геометрическую сумму
токов отдельных электровозов. Но для упрощения расчетов
допускают арифметическое суммирование.
дят распределение токов раздельно для их активных и
реактивных составляющих и определяют точки токо- раздела.
Затем тяговую сеть разделяют на два участка и ведут расчеты
по частям, как при одностороннем питании.
Если коэффициенты мощности нагрузок равны,
токораспределение можно определять, не раскладывая токи на
активную и реактивную составляющие.
Пример. Определить токораспределение для схемы^рис. 113, я.
Активные составляющие токов поездов:
/,а = 300-0,8 = 240 А; /2а = 200-0,85 = 170 А. Реактивные
/1р = УЗОО2—2402 = 180 А; /2р =
>'200*-1702 = 105 А.
Активные и реактивные токи
тяговых подстанций:
/1Й = (240+170)—162,5 = 247,5А;
/рЯ= (180+105) - 116,25= 168,75 А.
234
составляющие:
10-5128
247
Точка токораэдела находится иа токоприемнике 1. Двустороннюю
схему разделяем на две консольные (рис. 113, 6). На рисунке значения
активных токов написаны вверху, реактивных — внизу.
Нагрузка левого участка:
Vl62.52+ 116,25* = 200 A. cos <р = 162,5/200 = 0,81.
Нагрузка правого участка и дальнего поезда от подстанции В: >77,52
+ 63.752 = 105 A; cos<р = 77,5/105 = 0,78, а ближайшего участка к
подстанции В:
>247,52+168,752 = 383 A; cos у = 247,5/383 = 0,9.
Зная активное и индуктивное сопротивление тяговой сети, можно
найти потерю напряжения до токоприемников поездов.
34. Методы расчетов системы электроснабжения
Целью расчетов является определение расстояния между
тяговыми подстанциями L, мощности тяговых подстанций Р и
площади сечения проводов контактной сети S, а также выбор
схем питания, секционирования и защиты тяговой сети от
токов к. з Принятая схема и ее элементы должны обеспечивать
бесперебойное электроснабжение движущихся поездов и
выполнение заданного графика движения; схема должна быть
экономичной как по капитальным вложениям при ее
сооружении, так и по затратам на эксплуатацию. Необходи мо,
чтобы потери энергии в тяговой сети были наименьшими.
При электрических расчетах определяют следующие
величины, которые характеризуют надежность отдельных
элементов системы и условия работы электроподви- жиого
состава на линии: /э — эффективный (средний квадратичный)
ток подстанции н фидеров, от которого зависит нагрев
оборудования, токоведущих частей и проводов контактной
сети;
/max — максимальный ток подстанций и фидеров,
определяющий перегрузочную способность агрегатов
подстанций и уставки защит;
1 — средний ток подстанции и фидеров, характеризующий
общий
расход
энергии и
степень
использования
преобразовательных агрегатов;
10*
248
AUT — среднюю потерю напряжения на токоприемнике
поезда за время хода его под током, которая определяет расход
энергии, скорость движения, нагрев тяговых двигателей и
средние токи поездов;
AU — среднюю потерю напряжения на токоприемнике поезда
за время работы его на участке питания, характеризующую
условия работы вспомогательных машин и охлаждения
тяговых двигателей:
At/ma„
—
максимальную
потерю
напряжения
до
токоприемника;
АР — среднюю потерю мощности в тяговой сети, от которой
зависит к. п. д. контактной сети и других элементов. Она
используется для нормирования расхода энергии на тягу
поездов.
Кроме указанных, рассчитывают также и другие
величины. Существуют две группы методов расчета системы
электроснабжения, отличающиеся техникой и точностью
расчета: методы, основанные на использовании графика
движения поездов (графоаналитические методы), и
аналитические методы, основанные на заданных размерах
движения. К аналитическим относят метод равномерно
распределенной нагрузки, метод подвижных нагрузок и чисто
аналитический метод (обобщенный). Наиболее широко
используют обобщенный аналитический метод. Он менее
трудоемок и позволяет получить расчетные данные с
достаточной степенью точности.
Метод сечения графика движения поездов трудоемок н им
можно рассчитать величины только для данного графика.
Расчет на основе графика движения поездов. При расчете
по этому методу используют график движения поездов l(t),
кривые потребления тока поездами «'(/),
249
схему питания и секционирования. Требуемые расчетные
величины определяют последовательно через установленные
промежутки времени рассматриваемого графика. По
результатам расчета строят в функции времени графики
изменений нагрузки подстанции питающих линий, потери
напряжения на токоприемнике поезда, потери мощности в
контактной сети и т.д. На основании этих графиков находят
средние, эффективные и максимальные значения за
рассматриваемый период времени.
Для расчета предварительно определяют расстояние
между подстанциями (они размещаются на станциях или
раздельных пунктах).
На рис. 114, а приведен график движения поездов на
однопутном участке с 8.00 до 9.00. Подстанции расположены
на станциях А и С. Линии движения поездов показаны
прямыми: для одного направления — сплошными, для другого
— штриховыми. Соответственно этому слева и справа графика
построены диаграммы потребления тока поездами на
перегонах (из тяговых расчетов).
Рис. 114. График движения поездов, кривые потребления тока (а) и
мгновенная схема расположения поездов для сечеиия h—t t (б)
250
Рассекая график движения линиями, параллельными оси
абсцисс, получают ряд мгновенных схем (рис. 114,6).
Например, для момента времени t, точки пересечения с
нитками поездов 1 и 2 определяют местонахождение этих
поездов на участке питания; проектируя эти точки на
соответствующие им кривые тока, получают нагрузки поездов.
Точность расчета зависит от частоты сечения. На практике
сечения графика производят через 1—2 мнн для
магистрального и 0,5—1 мин для пригородного движения.
Такой метод называют методом равномерного сечения
графика.
Рассчитывая мгновенные схемы за необходимый
промежуток времени, определяют токи фидеров и подстанций,
потери напряжения на токоприемнике поезда, потери
мощности в контактной сети, т.е. получают кривые: /ф(9. /„(О,
АР(0. По этим кривым можно найти величины, необходимые
для установления мощности тяговой подстанции, площади
сечення проводов контактной сети и ее к. п. д.
Средний ток подстанции можно найти из графика нагрузки
тяговой подстанции (рис. 115) по формуле
2l (
nt
)ср
m
I
—I
i=i
где Att — интервал времени между сечениями;
(‘пОсг — среднее значение тока внутри этого интервала; m —
количество сечеинй.
Эффективный ток подстанции 6
1
6
Током /э определяется
количество рабочих агрегатов
и».
(65
)
где /„ . — номинальный ток агрегата.
По
максимальному Рис. 115. График нагрузки
значению тока /т«х проверяют тяговой подстанции
выбранное число агрегатов «а
кратковременную перегрузку.
Среднюю потерю напря ження находят применительно к
определенному поезду за время движения его под током At/,
или за все время его работы ДU. Для этого определяют потерю
напряжения на токоприемнике для каждой мгновенной схемы
за время движения поезда от подстанций А до подстанции С
2(^П)СР4'«
ьит=-~ ------ - -------1Т
Средняя потеря мощности в контактной сети
йР
ср = -Ч? -------------------------------
(66)
(67)
1
Метод сечения графика движения позволяет определить
площадь сечения проводов контактной сети. Напряжение на
токоприемнике поезда при движении его под током не должно
быть меньше 2700 В на дорогах постоянного тока.
Следовательно, известна потеря напряжения ДV. Полагая
сопротивление г тяговой сети
239
23#
равным 1 Ом/км, находят среднюю потерю напряжения Л [/оДействительная средняя потеря напряжения будет Д^ог и
должна быть равна заданной ДU3, т. е. AU3=AU0r.
Тогда r=AU3IAU0, но сопротивление I км г=гпр+ +гР;
/■np=18/S при этом 18/S+rp.=AUJAUo, откуда имеем площадь
сечення проводов
18
5 = Д£/3/Д{/0-гр
(68)
Сопротивление рельсов можно определить по формулам,
приведенным в параграфе 32. По полученной площади сечения
выбирают несущие трасы, контактные и усиливающие
провода стандартных сеченнй.
Недостатком метода равномерного сечеиия графика
движения является то, что характерные точки диаграммы
потребления тока поездами, в которых происходит включение
или переключение тяговых двигателей, могут не попасть в
сечения.
Более правильным н точным является метод расчета, при
котором моменты сечения графика движения выбирают таким
образом, чтобы в них попали все характерные точки кривой
тока поезда. Его называют методом характерных сечений
графика движения. Ов дает более точные значения расчетных
величин. Для расчета принимают график движения с одно-,
двухчасовым периодом н наибольшим сгущением поездов.
Метод сечення наиболее приемлем для анализа системы
электроснабжения уже работающих участков электрических
дорог.
Аналитический метод расчета. Расчетные формулы,
выведенные с использованием математической статистики,
позволяют быстро и просто определить средние значения
токов питающих линий, нагрузок подстанций, потерь
напряжения на токоприемнике за время работы поезда на
участке питания и за время работы его под
(69)
током на том же участке, потерн мощности в тяговой сети и
эффективные токи нагрузок подстанций н питающих линий.
Для выполнения расчета необходимо иметь результаты
тяговых расчетов.
За расчетное принимают среднее число поездов пср и
считают его неизменным в течение рассматриваемого периода.
Нагрузки поездов рассматривают как сосредоточенные и
принимают равными их средним значениям /ср. Допускается
вероятность осуществления любых графиков движения,
обеспечивающих пропуск расчетного числа поездов.
Расчетные формулы выведены для наиболее часто
применяемых схем питания контактной сети (одностороннего,
двустороннего н узлового питания), однотипных н
разнотипных
поездов,
обращающихся
на
участке.
Аналитический метод дает некоторое завышение (иа 5—10%)
расчетных значений.
Для участков однофазного переменного тока можно
выполнять расчет методом сечения графика движения и
аналитическим методом. В результате должна быть
установлена необходимая мощность трансформаторов на
подстанциях, а площадь сечения проводов контактной сети
принимают исходя из условий механической стойкости
контактной подвески. При электрическом расчете системы
их :
ектнвные значения.
находят потери напряжения и мощности, на грузкн тяговых
подстанций н питающих линий, а также
бходнмо учитывать, что при переменном токе сеть
загружена не только активной, но н реактивной мощностью,
потребляемой подвижным составом. В расчетах оперируют
полным сопротивлением тяговой сети z, значения которого
для проводов подвески н рельсов однопутных н двухпутных
участков приведены в соответствующих руководствах н
справочниках.
Потери мощности в тяговой сети
ДР = Л Г а / .
254241
35. Защита тяговой сети от токов короткого замыкания
Тяговую сеть защищают от токов к. з. и перегрузок. На
дорогах
постоянного
тока
защита
осуществляется
быстродействующими автоматическими выключателями (БВ)
(см. параграф 14), а на дорогах переменного тока —
масляными (МВ) или другими типами с по мощью релейной
защиты (см. параграфы 14 н 16).
Защита тяговых сетей постоянного тока. Тяговая сеть
считается защищенной, если выполняется условие
'кз>'уст>'т»*,
<70>
где /ха — ток к. з.;
/уст — ток уставки БВ.
Для надежной работы защиты необходимо, чтобы
минимальный возможный ток к. з. /кз был не менее чем на 300
А больше максимального тока нагрузки защищаемой линии.
В случае больших токов к. з. БВ отключает сеть раньше,
чем ток успевает возрасти до опасного значения. При к. з. в
удаленных точках (сопротивление контура к. з. велико)
условие надежной работы защиты не всегда выполняется.
Поэтому прн расчете системы электроснабжения всегда
определяют токн к. з. н проверяют возможность отключения
БВ защищаемой сети в случае наименьших токов к. з. Если
условие надежной работы контактной сети не выполняется,
применяют различные меры для обеспечения отключения
поврежденного участка при к. з. в любой точке тяговой сети.
Наиболее часто для защиты от малых токов к. з. устраивают
посты секционирования ПС с применением на них БВ (рис.
116, а, б).
При одностороннем питании (см. рис. 116, а) и к. з. в
удаленной точке К1 ток может оказаться меньше уставки по
току БВ на подстанции ТП н он не отклю-
(69)
рп
ПС
J _____
\ ьв
4
/ / с ? :
С
«г
V
кг
пс Ш |««Н шЩ
\ BBI
^ввг \
_У
VYfYi
f
Рис. 116. Схема защиты тяговой
сети от токов к. з. при
одностороннем и двустороннем
питании на однопутном (а и6б) и
двухпутном 00 участках
/
\б
ВВ4
KL
___
/_
К2_____________
К!
чится. В этом случае в середине участка устанавливают ПС,
уставка выключателя на котором меньше, чем у выключателя
подстанции. Уставка выключателя на ПС определяется токами
нагрузки от поездов на участке ВС, а уставка БВ подстанции
— нагрузками от поездов на участке АС. При к. з. в точке К2
отключится БВ подстанции н будет отключен весь участок АС.
Если произойдет к. з. в точке К1 (см. рис. 116, б) то прн
отсутствии ПС отключится БВ2 подстанции Б, так как
сопротивление контура к. з. мало, а ток к. з. будет большим.
Однако не отключится БВ1 подстанции А, поскольку ток к. з.
будет недостаточен (сопротивление велико). Для обеспечения
защиты сети посты секционирования располагают вблизи
точек токораздела, где рабочие токи иевелнкн. В этом случае
прн к. з. в той же точке К1 отключается БВ4 на ПС и БВ2
подстанции Б. Прн к. з. в точке К2 онн тоже отключаются. Как
видно, при к. з. в любой точке отключается только половина
участка питания. Токи уставок выключателей на ПС будут
меньше, чем у подстанционных быстродействующих
выключателей, а уставки определяются токами нагрузок в
момент нахождения поездов вблизи ПС.
256
Особенно
эффективно
устройство
постов
секционирования на двухпутных участках при двустороннем
питании (рис. 116, в). При к. з. в любой точке участка питания
отключается только У4 часть его. Если к. з. произошло в точке
К1, отключаются БВЗ на подстанции Б и выключатель ПС, а
если в точке К2 — то БВ1 подстанции А и выключатель на ПС.
Посты секционирования обеспечивают не только защиту, но н
экономичность работы схемы питания.
При невыполнении условия надежной защиты в случае
применения ПС осуществляют блокировку БВ подстанции н
ПС, питающих одну фидерную зону. Применяют
телеблокнровки БВ питающих линий, используя для передачи
сигналов лннин связи.
Защита сетей переменного тока. Для защиты переменного
тока питающих линий обычно используют максимальную
токовую защиту без выдержки времени. Надежность защиты
обеспечивается прн выполнении условия /кэ»2/т«.
Токи к. з., так же как в тяговых сетях постоянного тока,
могут быть меньше рабочих. Тогда для отключения малых
токов к. з. устраивают посты секционирования нлн применяют
специальные
дополнительные
защиты.
На
постах
секционирования устанавливают масляные выключатели и
релейную максимально направленную защиту (см. параграф
16).
36. Технико-экономические расчеты системы
электроснабжения
Основными параметрами системы электроснабжения
являются расстояние L между тяговыми подстанциями,
мощность Р подстанцнн и площадь сечення S проводов
контактной сети. Они взаимосвязаны н при изменении одного
нз ннх изменяются другие. Уменьшение рассто яния между
подстанциями приводит к уменьшению мощности подстанций
и площади сечения проводов контактной сети. Меньше
становятся потери электроэнергии в контактной сети и
257
питающих подстанцию ВЛ, уменьшаются токи в фндерах
контактной сети, а токи к. з. возрастают, что облегчает защиту
этих фидеров. На дорогах постоянного тока прн более частом
расположении тяговых подстанций улучшаются условия
питания нетяговых и районных потребителей, уменьшается
стоимость ВЛ продольного электроснабжения. Надежность
работы устройств электроснабжения повышается. Однако
частое расположение подстанций приводит в то же время к
увеличению капиталовложений и эксплуатационных расходов.
Увеличение расстояния между подстанциями вызывает
необходимость увеличения площади сечения контактной сети
и мощности тяговых подстанций. Прн этом несколько
снижается надежность устройств электроснабжения, но
уменьшаются капитальные вложения.
Повышение скоростей движения поездов, применение
комплексного электроснабжения нетяговых и районных
потребителей заставляют уменьшать расстояния между
тяговыми подстанциями, так как при этом повышается
напряжение в тяговой сети, улучшаются условия питания
нетяговых и районных потребителей и уменьшаются потери в
сетях.
Задачу выбора параметров системы электроснабжения
решают на основании технико-экономического сравнения
вариантов с учетом размеров движения, типа подвижного
состава, скоростей движения поездов, внедрения новой
техники и других факторов. Для любого участка можно
составить ряд вариантов с различными сочетаниями
параметров L, Р, S и увязкой нх с питающей системой.
Варианты должны быть примерно технически равноценными.
Для выбора наиболее технически целесообразного
варианта, экономически наивыгоднейшего, определяют н
сопоставляют капитальные затраты К и эксплуатационные
расходы Э. Помимо этого, сопоставляют натурные показатели
(расход цветных металлов н т.д.) для каждого варианта.
При сопоставлении вариантов исходят из срока
окупаемости Т, т. е. времени, в течение которого
258
дополнительные капитальные вложения по более дорогому
варианту окупятся вследствие уменьшения эксплуатационных
расходов. Для объектов электрификации принимают Т=10 лет.
При К\<Кг н Э|>32 срок окупаемости
т = (К2 —
к 1 ) Ц Э 1 — Э2).
(71)
Вариант с большими затратами К2 будет более
экономичным, если ГсЮ лет. Величину, обратную сроку
окупаемости, р=\/Т называют коэффициент эффективности.
Сравнивая более двух вариантов, применяют метод
приведенных расходов, по которому для каждого варианта
определяют полные расходы за год,
Г, = Э,+/>*-,.
(72)
Экономически нанвыгоднейшим вариантом является тот,
для которого приведенные расходы будут наименьшими.
Подстанции располагают на крупных узлах или станциях,
которые допускают примыкание подъездного пути к
подстанции и обеспечены системой водопровода и
канализации. В этом случае бытовые и культурные условия
для обслуживающего персонала подстанции будут лучшими.
Учитывается также наличие и размещение нетяговых н
районных потребителей.
При стыковании различных систем тяги подстанцию
располагают на стыковой станции, что приводит к повышению
надежности работы устройств н снижению капитальных
затрат. Размещение подстанций увязывают с профилем
участка и режимом работы электроподви-
259
жиого состава на этом участке. Обычно их располагают
вблизи затяжных подъемов, где поездами потребляется
наибольшая энергия. При этом снижаются расход меди на
устройство контактной сети, потери напряжения н энергии в
тяговой сети. Расстояние между подстанциями выбирают на
основании опыта эксплуатации н в зависимости от
потребления энергии на 1 км пути.
Площадь сечения контактной сети принимают по
техническим условиям н экономическим соображениям после
установления вариантов размещения тяговых подстанций. Для
дорог переменного тока площадь сечения проводов выбирают
исходя нз условий механической стойкости контактной
подвески (130—195 мм! на путь в медном эквиваленте).
Выбранные провода проверяют на нагревание, по уровню
напряжения на токоприемнике, по защите от токов к. з. в
нормальных н вынужденных режимах.
Напряжение на токоприемнике при движении электровоза
под током на любом блок-участке не должно быть ниже 2700 В
на дорогах постоянного тока и 21 кВ на дорогах переменного
тока.
Параметры системы электроснабжения проверяют по
условиям вынужденных режимов работы при эксплуатации:
выпадание нз работы одной подстанции, выход нз строя
одного агрегата на подстанции, питающей лниин и др. Это
позволяет выяснить, какой из вариантов приводит к
наименьшему ухудшению условий работы системы
электроснабжения н к наименьшим нарушениям графика
движения поездов.
Глава пятая
В Л И Я Н И Е ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ДОРОГ
НА ОКРУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
37. Работа рельсовых цепей. Блуждающие токи
Работа рельсовых цепей. На электрифицированных
дорогах рельсы используют в качестве второго провода
тяговой сети. Они не изолированы от земли, поэтому через
шпалы и балластный слой часть тягового тока ответвляется от
них и протекает по земле. В местах, ближайших к пунктам
присоединения отсасывающей линии подстанций, токи вновь
возвращаются в ходовые рельсы. Таким образом, часть его
проходит по ходовым рельсам, а другая часть — по земле и
находящимся
в
ней
металлическим
сооружениям,
распространяясь иногда на десятки километров от
железнодорожного пути. Ток, протекающий по земле и
металлическим сооружениям в ней, называют блуждающим.
Блуждающие токи составляют значительную часть тягового
тока, достигая иногда 50—60%.
Рассмотрим работу поезда на участке одностороннего
питания (рис. 117, а). Значение тока в рельсах /Р (рис. 117, б)
непостоянно: наибольший ток наблюдается в месте
нахождения поезда и у пункта присоединения отсасывающей
линии подстанции А, а наименьший — в середине участка. Ток
в земле /3 будет небольшим в середине участка. Наибольший
потенциал рельсов Up наблюдается в месте нахождения
нагрузки, а наименьший (отрицательный) — в месте
присоединения отсасывающей линии (на рис. 117, в показана
кривая t/p с учетом шунтирующего действия земли).
Участки, где рельсы и металлические сооружения в земле
имеют положительный потенциал по отношению к земле и
токи стекают с иих в землю, называются анод-
261
ными зонами, а участки с
отрицательным
потенциалом, к которым
токи притекают из земли, —
катодными
зонами.
В
анодных зонах происходит
электролитическое
разрушение
металла
сооружения
(электрокоррозия),
приводящее к нарушению их
нормальной
работы.
В
катодных
зонах
электрическая
коррозия
металла не наблюдается (за
исключением
свинца
и
алюминия при окружающей
Рис. 117. Пути протекания тока
щелочной среде).
(а) и кривые изменения токов
Значение тока утечки с (б) к потенциалов (в) в рельсах при
рельсов в землю зависит от одностороннем питании и
одной нагрузке
потенциала
рельсов
относительно
земли,
сопротивления
рельсов,
переходного
сопротивления
рельс-земля и климатических условий. Утечка происходит с
подошвы рельсов, через костыли, шурупы и подкладки,
противоугоны, междурельсовые и междупутные соединения и
заземляющие устройства.
Влияние
блуждающих
токов
на
металлические
сооружения. Коррозионные действия блуждающих токов
приводят к выносу в грунт частиц металла и разрушению
металлических конструкций. В результате этого происходит
утечка газов и жидкостей из трубопроводов, что может
привести к пожарам и взрывам или прекраще-
262
нню работы устройств связи и снабжения электроэнергией при
повреждениях кабелей.
Опасность в отношении электрокоррозии представляет
постоянный ток. Коррозионное воздействие переменного тока
частотой 50 Гц в 100 раз меньше, чем постоянного, и
увеличивается с уменьшением частоты и увеличением
плотности тока стекания.
Потеря металла Q в анодных зонах в процессе
электрокоррозии определяется формулой Q=ait, где к —
электрохимический эквивалент металла, г/Кл (для стали
0,289-10-3, свинца 1,073-10“3 г/Кл); i — стекающий ток, A; t —
время протекания тока, с.
В результате электрокоррозии теоретическая потеря
металла в течение года при протекании 1 А составит около 9 кг
стали и 34 кг свинца (оболочки кабеля). На практике
наблюдаются значительные отклонения от этих значений, что
объясняется
разнородностью
электролита
(грунт
с
содержащимися в ней влагой, солями, кислотами н щелочами),
различной плотностью тока в анодных зонах и другими
факторами. Опасность повреждения зависит от плотности тока
утечки, приходящейся на единицу площади.
В Правилах защиты металлических сооружений от
коррозии блуждающими токами (СН 266-63) для
неизолированных
освинцованных
кабелей
считаются
опасными все анодные зоны и не допускается любая малая
плотность тока утечки в этих зонах. Для бронированных
кабелей опасной считают среднесуточную плотность тока
утечкн 0,15 мА/дмг, а для стальных трубопроводов — 0,75
мА/дм2.
При положительной полярности контактной сети в случае
двустороннего питания (рис. 118) анодные зоны на
трубопроводе оказываются фиксированными: они находятся
вблизи отсасывающих пунктов подстанций. Такая поЛярность
принята на Советских железных дорогах, так как при ней
облегчается защита подземных
263
ZT
Анодная зона
Катодная зона
Анодная зона
/nwwv
Рис. 118. Потенциальные зоны на трубопроводе при положительной
полярности контактной сети
сооружений от коррозии. В случае отрицательной полярности
контактной сети анодные зоны перемещаются вдоль
трубопровода, следуя за перемещением поездов, и осуществить
защиту трубопровода в этом случае труднее и дороже.
При рекуперативном торможении подвижного состава
направление токов в рельсах и земле изменяется.
Местоположение анодных зон также изменяется. Это
учитывают при разработке защит металлических сооружений
от электрокоррозии.
38. Защита металлических сооружений от блуждающих
токов и электрокоррозии
Защита металлических сооружений, находящихся в зонах
действия блуждающих токов, имеет целью продлить срок их
службы, предотвратить повреждения и потери металла при
коррозии. Защитные мероприятия направлены на ограничение
утечки тяговых токов с рельсов, уменьшение блуждающих
токов в сооружениях и устройствах в зоне их действия.
Применяют также электрические методы защиты.
264
Уменьшить утечку токов можно обеспечением высокой
проводимости рельсовых цепей и изоляции их от земли,
повышением напряжения в контактной сети, уменьшением
расстояния между подстанциями, применением более тяжелых
рельсов и сваркой их в длинные плети, частой установкой
пунктов присоединения отсасывающей линии, применением
щебеночного балласта и шпал с высоким переходным
сопротивлением.
Для уменьшения блуждающих токов на подземных
сооружениях их необходимо прокладывать по возможности
дальше от электрифицированных путей, выбирать трассы с
высоким электрическим сопротивлением грунта, применять
изолирующие покрытия (битумные) и изолирующие
канализации (лотки, керамические и асбоцементные трубы),
разделять их изолирующими вставками и муфтами.
Наиболее эффективными являются электрические методы
защиты, которые заключаются в приведении защитного
сооружения в такое состояние, при котором потенциал его
меньше или равен потенциалу окружающей среды. При этом
можно полностью ликвидировать анодные зоны на
сооружениях
и
устранить
разъедание их блуждающими
токами.
Основными из этих методов
являются электрический дренаж
(рис. 119, а) и катодная защита
(рис. 119, б).
Электрический
дренаж
обеспечивает
отвод
блуждающих
токов
из
А
защищаем сооружения
в рельсовую сеть или в
ому
отрицательную
шину
сооружен
июРис. 119. Схемы прямого
подстанции
(шину
отрицательной
электрического дренажа (а) и
катодной защиты (б)
265
полярности). Он может быть прямым, поляризованными
усиленным. При прямом дренаже (см. рис. 119, а) создают цепь
из предохранителя 1, рубильника 2, клемм 3, к которым
подключается амперметр для измерения дренируемого тока,
резистор 4 и дренажные кабели 5. Регулируемый резистор
служит для ограничения тока в подземном сооружении. Его
регулируют (зимой и летом) так, чтобы потенциал сооружения
был примерно равен потенциалу окружающей среды, при этом
ток дренажа будет наименьшим. Прямой дренаж обладает
двусторонней проводимостью, поэтому его применяют в
устойчивых анодных зонах на подземном сооружении.
В знакопеременных зонах, где потенциал сооружения по
отношению к рельсам периодически меняет свой знак,
применяют поляризованный дренаж (рис. 120). Он включается,
когда потенциал сооружения 1 выше потенциала рельсов 11.
При положительном потенциале сооружения ток вначале
протекает по включающей обмотке контактора и вызывает
замыкание контактов 10 и 4. При уменьшении тока или
изменении полярности контакты размыкаются и цепь
разрывается.
Катодную защиту (см. рис. 119, б) используют на
сооружениях,
где
нецелесообразно
осуществлять
электрический дренаж (прн удаленности сооружения от
рельсовых цепей). При катодной защите на сооружение 6
подают отрицательный потенциал от катодной станции 8- с
выпрямительным устройством. Положительный полюс
установки подключают к заземлителю 7 (старогодные трубы,
рельсы), который разрушается под действием стекающего тока.
Катодную станцию подключают к сети переменного тока
ПО—220 В.
На дорогах постоянного тока наблюдаются электрокоррознонные повреждения железобетонных конструкций
блуждающими токами. Железобетонные опоры и другие
устройства разрушаются вследствие утечки тока- с рельсов
через их заземления. Электрокоррозия арма-
266
Рис. 120. Схема поляризованного электрического дренажа:
I — трубопровод; ! и 5 — предохранители; 3 — регулируемый резистор; f п 10 —
замыкающие контакты; 6 — вентиль полупроводниковый; 7 — дренажная обмотка: 8
— включающая обмотка контактора; 9 — рубильник; // — рельс
туры начинается при плотности тока стенания свыше 0,6
мА/дм2.
Для контроля за блуждающими токами периодически
проверяют состояние рельсовой сети и проводят электрические
измерения на подземных металлических сооружениях.
Контролируют также и защитные установки. При измерениях
определяют токи и потенциалы в рельсах, подземных
сооружениях, переходные сопротивления и другие величины.
39. Влияние тяговых сетей на линии связи
Тяговая сеть электрифицированных дорог, обладая
большой электрической мощностью, оказывает нежелательное
воздействие на линии связи, проходящие в непосредственной
близости от железной дороги, и даже может нарушить
нормальную работу линии связи. По интенсивности
воздействия влияния подразделяют на опасные и мешающие. К
опасным относят такие, при которых напряжение и токи,
индуктируемые в цепях связи, опасны для жизни
обслуживающего персонала и людей, пользующихся связью, а
также для аппаратов и приборов, включенных в эти цепи.
Мешающие — это влияния, которые вызывают в телефонных
цепях шумы, снижающие качество связи, а в телеграфных
цепях — искажение передаваемых сигналов.
На дорогах переменного тока опасные влияния могут
возникнуть при к. з. в удаленной точке тяговой сети, при
котором наведенная э. д. с. имеет наибольшее значение. При
267
сближении линий связи с контактной сетью в ее проводах
могут наводиться потенциалы в несколько киловольт. На
дорогах постоянного тока не считаются с опасным влиянием,
так как при к. з. или снятии напряжения в тяговой сети
возникает опасность акустического удара, легко устраняемого
защитой телефонов.
Мешающее влияние иа дорогах постоянного тока
обуславливается наличием переменной составляющей в
выпрямленном напряжении и токе, возникающей при работе
преобразователей; их неисправностями, регулированием
напряжения, асимметрией напряжений в питающей системе.
На дорогах однофазного тока мешающее влияние вызвано
наличием высших гармонических сос тавляющих тока и
напряжения, их несннуеоидальностью в контактной сети,
которая обусловлена работой выпрямительной установки
электровозов однофазно-постоянного тока. Мешающее
влияние оценивают по значениям напряжения или тока,
приведенным к частоте 800 Гц (это* воздействие условно
принимают за единицу). Приведенное эквивалентное
напряжение Ишп называют псофо- метрическим и измеряют
псофометром.
По характеру воздействия тяговых сетей на линии
проводной связи различают электрическое, магнитное и
гальваническое влияние. Одновременное воздействиеэлектрического
и
магнитного
влияния
называют
электромагнитными.
При отсутствии нагрузки в тяговой сети влияние на
смежные линии связи обусловлено только наличием
переменного напряжения и, следовательно, электрического»
поля В окружающем пространстве — электрическое влияние.
Под действием этого поля в проводах линии связи наводится
потенциал, значение которого определяется напряжением
контактной сета и отношением емкостей между влияющим
проводом и проводом связи к емкости провода «связь—земля».
Разность потенциалов проводов двухпроводной линнн связи
вызывает протекание токов помех. Кабельные линии связи в
268
земле с заземленной оболочкой электрическому влиянию не
подвержены.
Тяговая сеть — это разновидность линии электропередачи.
Она является несимметричной двухпроводной ’цепью из-за
неравенства тяговых токов в контактной сети и рельсах. Это
объясняется утечкой тока из рельсов .и протеканием его в
земле.
Провода контактной сети и рельсы создают неодинаковые
магнитные поля, которые противоположны по направлению.
Эти поля образуют в пространстве результирующее магнитное
поле. В проводах линии связи, проходящих через это поле,
индуктируется э. д. с., пропорциональная значению и частоте
тока тяговой сети — магнитное влияние. В линии связи
продольные э. д. с. проводов неодинаковы из-за неодинакового
расстояния от иих до тяговой сети. Разность этих э. д. с.
приводит к возникновению в линиях связи токов, вызывающих
ломехи.
Гальваническое влияние обусловлено блуждающими
токами при протекании их по земле (см. рис. 117). Разные точки
земли будут иметь различные потенциалы. Юднопроводные
линии связи, в которых вторым проводом является земля и
имеются рабочие заземления, подвержены гальваническому
влиянию тяговой сети. В таких линиях будут появляться
напряжения, обусловленные гальваническим влиянием, равные
разности потенциалов между рабочими заземлениями. Эта
разность по тенциалов вызывает в линии связи уравнительный
ток, ют которого н зависит уровень помех. При двухпроводних ЛИНИЯХ связи и нормальном СОСТОЯНИИ ИХ ИЗОЛЯЦИИ
гальваническое воздействие на них незначительно.
Влияние электрифицированных дорог на цепи проводной
связи зависит от ситемы питания и нагрузочного режима
работы контактной сети. Двустороннее питание контактной
сети является более предпочтительным, чем одностороннее,
так как токи на отдельных участках плеч питания тяговой сети
имеют противоположные направления, что приводит к
некоторой компенсации э. д. с. индуктируемых на этих
269
участках.
Существуют различные способы, защиты линий связи от
влияния электрифицированных дорог, снижающие- эти
влияния. Защитные мероприятия осуществляются как иа
устройствах электрической тяги, так и на линиях проводной
связи. Имеются Правила защиты устройств проводной связи от
влияния электрифицированных железных дорог, в которых
регламентированы нормы опасных и мешающих напряжений и
токов в цепях проводной связи, приведены требования,
предъявляемые к устройствам электрической тяги и проводной
связи для снижения влияний, а также приводятся указания по
рас- счету опасных и мешающих напряжений.
Для снижения электромагнитных влияний в системе
электроснабжения дорог переменного тока устанавливают
отсасывающие трансформаторы, а на дорогах постоянного тока
— сглаживающие устройства (фильтры).
В устройствах проводной связи к этим мерам относят
каблирование всех линий связи на дорогах переменного тока и
относ линий связи на большее расстояние- от тяговой сети или
частичное каблирование их на дорогах постоянного тока. При
каблировании линий связи- электрическое влияние исчезает, а
магнитное сводится к минимуму благодаря экранирующему
действию оболочек кабеля. На дорогах переменного тока
прокладывают кабели МКБАБ с медными жилами, их
применяют во всех видах железнодорожной связи, в том числе
для
270
устройств СЦБ и телеуправления объектами системы
электроснабжения. Относ линий связи от полотна железной
дороги на 1—2 км может быть оправдан для линий связи
других министерств, но это неприемлемо для линий связи
МПС, так как требуются большие капитальные затраты на
прокладку ответвлений к каждому железнодорожному объекту.
Обслуживать такие линии сложно, а эксплуатационные
расходы при этом велики.
При электрификации на постоянном токе линии связи
чаще выполняют воздушными н их приходится защищать от
влияния электрической тяги. Выпрямленное напряжение при
шестифазной схеме выпрямления содержит переменную
составляющую с гармониками частотой 300, 600, 900, 1200 Гц и
т. д. Электрическое влияние этих гармоник мало, а магнитное
влияние на линии связи значительно. Для снижения его на
подстанциях устанавливают сглаживающие устройства ФУ,
которые снижают пульсации гармоник в кривой тягового тока.
Они состоят из реактора Lv (4,5—6,5 мГн) и нескольких
резонансных контуров, настроенных на частоты 300, 600, 900,
1200 Гц (рис. 121). Гармонические составляющие тягового тока
замыкаются через сглаживающее устройство и не выходят за
пределы подстанций в тяговую
сеть. Этим сводится к минимуму
магнитное влияние переменной
составляющей выпрямленного
тока.
Из-за
иесимметрии
первичного
питающего
напряжения в выпрямленном
напряжении
присутствуют
гармонические составляющие
частотой 100, 200 и 400 Гц. На
Рис. 121. Сглаживающее
подстанциях устанавливают 258
устройство иа подстанции
постоянного тока:
1 — преобразовательный
трансформатор; 2 — выпрямитель
П)
) k,SKn
тл —
а'J
*
КП
Чт.
3 or\1
0л
1,5 tm
BIT
1\т
^ or
п в 1
___ &LJIL
— f t
/
? t h
'S-
~*"
Рис. 122.
VПринципиальная схема включения отсасывающих тран-
p
сформаторов без обратного fa) и с обратным ( б ) проводами
нн
сглаживающие устройства, настроенные на эти частоты..
При электрической тяге на переменном токе опасные и
мешающие влияния на линии связи значительно выше, чем иа
постоянном. Это объясняется большим содержанием высших
гармоник тягового тока при работе выпрямительных
электровозов. Для снижения влияния на линии связи, помимо
каблирования, устанавливают в тяговой сети отсасывающие
трансформаторы ОТ (рис. 122)-. Первичную обмотку ОТ
включают в рассечку контактной сети, а вторичную — в
рассечку либо рельсовой сети, либо обратного провода ОП.
Отсасывающий трансформатор позволяет снизить ток,
протекающий по земле, и увеличить ток в рельсах, что
приводит к увеличению экранирующего действия рельсов и
снижению магнитного влияния иа линии связи. Лучшей
является схема с обратным проводом (рис. 122, б): вторичная
обмотка ОТ включена в его рассечку, а этот провод
электрически соединен с рельсами у подстанции и между ОТ;
ток по рельсам протекает на меньшем участке пути и меньше
ответвляется в земле, вследствие чего повышается
экранирующее действие обратного провода и рельсов.
Отсасывающие трансформаторы имеют мощность 800 кВ •
А и устанавливают их через 4,5—5 км. Коэффициент
трансформации их близок к единице.
25»
40. Радиопомехи и методы их снижения
Побочные сигналы, искажающие форму основных
■радиосигналов и вызывающие нарушение нормальной
работы каналов радиосвязи, называют радиопомехами.
Источников радиопомех много и они разнообразны. Помимо
естественных — атмосферных, наиболее сильными являются
индустриальные помехи, которые создаются при работе
различных
электрических
устройств:
городского
и
железнодорожного электрического транспорта, всевозможной
коммутационной аппаратуры, коллекторных генераторов и
двигателей,
электросварочных
аппаратов.
Помехи,
создаваемые указанными устройствами, имеют высокий
уровень
и
затрудняют
или
исключают
прием
радиовещательных илн телевизионных передач.
Всякая электрическая система обладает активными,
индуктивными и емкостными сопротивлениями и переход от
одного режима к другому сопровождается затуханием
свободных электромагнитных колебаний. Эти колебания
содержат спектр частот помех:
от длинных
воли до ультракоротких волн. Наибольшие радиопомехи
наблюдаются в диапазоне длинных и средних волн.
По характеру воздействия иа приемные устройства
различают гладкие и импульсные радиопомехи. При работе
электрического транспорта создаются помехи обоих видов.
Гладкие радиопомехи вызывают непрерывный шум и
возникают от работы тяговых двигателей и вспомогательных
машин э. п. с., импульсные возникают от искрения между
токоприемником и контактным проводом и отключения
быстродействующих выключателей, и контакторов.
Генерируемые высокочастотные токи радиопомех
распространяются по цепям тяговых подстанций, контактной
сети
и
электроподвижного
состава.
Радиопомехи,
генерируемые электрическим транспортом, распространяются
вдоль контактной сети на расстояние до
273
5 км, а в перпендикулярном от контактной сети направлении
— на расстояние до 150—200 м от источника помех. Уровень
поля и напряжения радиопомех на раз личных частотах
измеряют высокочастотными микро- вольтметрамн и
выражается в микровольтах. Установлены нормы предельно
допустимых индустриальных радиопомех, создаваемых
различными источниками, в том числе и устройствами
электрической тяги.
Снижение и подавление радиопомех осуществляются на
источниках радиопомех и на приемных устройствах
радиовещания и телевидения. Подавление помех у источника
заключается в уменьшении э. д. с. посредством устранения
искрения на коллекторах машин, улучшения состояния
контактов
коммутационных
аппаратов,
применения
искрогасительных контуров, а также экранирования
помехогенерирующих устройств и проводов н включения
фильтров на выходе установки. На приемных устройствах
предусматривают фильтры, являющиеся резонансными
контурами для частот радиопомех, применение антишумовых
антенн, специальных схем — ограничителей помех.
На электрифицированных дорогах снижение э. д. с.
радиопомех обеспечивается устранением искрения между
токоприемником и контактным проводом. Эффективным
средством
снижения
уровня
радиопомех
является
использование угольных вставок полозов токоприемника, при
которых уровень помех значительно снижается.
Подавление радиопомех на электровозе и моторных
вагонах осуществляется экранированием корпусов машин и
аппаратов и применением фильтров. Металлические корпуса
являются естественными экранами, но они не могут быть
полностью закрыты по условиям нормальной их работы.
Электрооборудование и электроподвижной состав,
выпускаемые
промышленностью,
снабжены
помехозащитными устройствами.
274
От автора
3
Глава первая. Системы
О Г Л А первичного
В Л Е Н И Еэлектроснабжения.
Нетяговые потребители.
1. Схема электроснабжения электрифицирован
н
ых дорог
6
2. Схемы внешнего электроснабжения тяговых
подстанций
13
3. Нетяговые потребители электрифицированных
дорог
17
4. Классификация электрических станций и осо
беиностн их производственного процесса
19
5. Общие сведения о подстанциях
29
6. Электрическое оборудование н схемы соединений
электрических станций и подстанций
30
7. Графики нагрузок электрическихустановок
38
8. Электрические сети
41
9. Энергосистемы
57
10. Заземление нейтрали птрехфазных системах 54
Глава вторая. Тяговые подстанции.
11. Классификация тяговых подстанций и схемы
первичной коммутации
57
12. Преобразовательные агрегаты тяговых подстанций
65
13. Токи короткого замыкания
.
77
14. Аппаратура и токоведущие части
распределительных устройств тяговых подстаицнй
. 87
15. Заземляющие устройства
.112
16. Релейная защита
.
.116
17. Собственные нужды тяговых подстаиций .128
18.
Конструктивное выполнение тяговых подстанций
. 130
19. Организация эксплуатации н техника безопасности на
тяговых подстанциях
.133
Глава третья. Контактная сеть.
20. Системы контактной сети. Классификация
подвесок
242
.135
21. Конструкции простой и цепных подвесок.
Сведения об их механическом расчете
.140
22. Провода н изоляторы контактной сети
.155
23. Взаимодействие контактной подвески и токоприемника
.160
24. Основные схемы и конструкции контактной
сети
.165
25. Секционирование и питание контактной сети 173
26. Поддерживающие конструкции и опоры
контактной сети
.183
27. Рельсовые цепи на электрифицированных дорогах.
Защитные устройства контактной сети .191
28. Работа устройств контактной сети в условиях
эксплуатации
.196
29. Организация эксплуатации и техника безопасности
на контактной сети
.202
Глава четвертая. Расчеты электроснабжения
электрифицированных дорог.
30. Условия работы системы электроснабжения.
Схемы питания тяговой сети
.207
31. Режим нагрузок и напряжения в тяговой
сети
.210
32. Параметры тяговых сетей
.221.
33. Расчет мгновенных схем
.223
34. Методы расчетов системы электроснабжеиия235
35. Защита тяговой сети от токов короткого замыкания .
.
.242
36. Технико-экономические расчеты системы
электроснабжения
.244
Глава пятая. Влияние электрифицированных дорог
на окружающие устройства.
37. Работа рельсовых цепей. Блуждающие токи248
38. Защита металлических сооружений от
блуждающих токов и электрокоррозии
.251
39. Влияние тяговых сетей иа линии связи.
.254
40.
Радиопомехи и методы их снижения
.260
0027671