Блуждающие токи рельсового электрического транспорта

РАСЧЕТЫ ПОТЕНЦИАЛОВ РЕЛЬСОВОЙ СЕТИ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

В связи с потерями напряжения в рельсах существует разность потенциалов рельс-земля, вызывающая стекание части тягового тока в землю. Эти токи протекают в земле и подземных сооружениях, замыкаются на участки рельсов, прилежащие к пунктам присоединения отрицательных линий (ОП), и из-за отсутствия явно выраженных путей протекания получили название блуждающих. Участки рельсовой сети (PC) и подземных сооружений (ПС), на которых потенциалы выше потенциалов земли, принято называть анодными зонами, а где ниже — катодными. На PC катодные зоны прилегают к ОП. Таким образом, токи из PC и ПС вытекают в анодных зонах и притекают в катодных. Взаимное расположение этих зон на PC и ПС противоположно.

Опасность токов, стекающих с ПС, состоит в том, что в точках их выхода происходит интенсивная электролитическая коррозия металла. Интенсивность коррозии оценивается скоростью изменения толщины стенки ПС, мм/год:

где j — плотность стекающего тока, А/дм ²; т — коэффициент, зависящий от вида металла (т = 0,297 для свинца, 0,117 для железа и 0,0105 для алюминия).

Величина токов, стекающих с PC и ПС, зависит от многих факторов: изоляции, переходных сопротивлений, проводимости материалов, состояния и рода грунта. Однако при равных условиях можно утверждать, что токи, стекающие с рельсов и ПС, будут тем больше, чем больше потери напряжения в PC. С целью оценки потенциальных условий на рельсах и подземных сооружениях, а также выбора мест подключения отрицательных линий выполняется расчет рельсовой сети. Пункты подключения отрицательных линий (ОП) выбираются из следующих условий: потери напряжения в рельсах от ОП до конца линии или точки токораздела не должны превосходить нормируемой величины Д?/_р < Д?/_рн; разница напряжений между ОП, относящимися к одной подстанции, не должны превосходить 1 В при отсутствии регулирования и 0,5 В при автоматическом регулировании потенциалов; длины отрицательных линий должны быть наименьшими. В расчетах рельсовой сети принимаются допущения: участки имеют равномерно распределенную нагрузку; все пункты присоединения кабелей эквипотенциальны. На этом основании расчеты потерь напряжения в PC выполняют по методу равномерно распределенной нагрузки, если значения нагрузки А/ определены из средних токов /₀ и среднесуточного числа поездов на участке д₀, то значение нормируемых потерь напряжения AU_рн = AU_m, где AU_m задается нормативной таблицей [6]. При оценках А/ по периоду интенсивного движения (и_м).

где К₃, К_тах — коэффициенты, учитывающие отличие расходов энергии в зимнее время и в час-пик от среднегодового (К₃ = 1,1… 1,15, К_тах = 1,1… 1,2); t_c — средняя по году продолжительность работы трамвая на линии в сутки, ч.

Выбор мест подключения отрицательных линий по условию AU_p < AU_pil рассмотрим на примере схемы рис. 8.1, а.

Пусть линия 01 подключается на участке с одинаковой интенсивностью нагрузки А/, (рис. 8.1, в). Расстояние от начала участка 0 до 01 на основании (5.8) можно найти из выражений.

Для оценки положения точки токораздела (ТТ) и линии 02 участок слева от 01 отбрасывается, расчетные схемы получают вид, показанный на рис. 8.1, г. Здесь ТТ расположена на 5-м участке на расстоянии x_s от начала. По участку с Ai_{ и 1_Х протекает часть тока участка 5 I_s = Ai_sx_s (см. рис. 8.1, в, г). Потери напряжения до токораздела:

Рис. 8.1. Схемы и диаграммы к расчету рельсовой сети.

После преобразования (8.4) получим квадратичное уравнение для расчета x_s вида.

Расстояние от 01 до ТТ 1[ + x_s. Если x_s >l_s, то ТТ будет на следующем К-м участке, а расчетные схемы получат вид, как на рис. 8,1, в, г. Здесь для оценки х_к можно записать.

Подставив в (8.6) значения нагрузок /,', I_s, Г_к (см. рис. 8.1, г) после преобразований также получим квадратичное уравнение для расчетов х_к .

В случае разветвленной сети выбор положения ОК на общем участке 1_К связан с оценкой Г_к =1_К —х_к (рис. 8.1, а). Здесь по аналогии с предыдущим получим два квадратичных уравнения для расчетов 1'_к, составленных для каждой ветви. Из двух значений Г_к выбирают меньшее. Для правильной расстановки ОП потенциальная диаграмма будет иметь вид, рис. 8.1, б.

Если пункты присоединения линий не эквипотенциальны и отсутствуют устройства регулирования, то рельсовую сеть района питания подстанции рассматривают совместно с линиями. В качестве эквипотенциальной точки принимается отрицательная шина подстанции. Отрицательные линии в этом случае по длине и сечению приводят к сопротивлению рельсовой сети, что упрощает расчеты. Замкнутые сети с узловыми пунктами рассчитывают по методу узловых потенциалов. При наличии участков, где нормы потерь напряжения нс выполняются, перемещают соответствующие пункты присоединения, изменяют количество линий, а в необходимых случаях также и схемы питания и секционирования.

Потенциалы рельсов относительно земли соответствуют отклонению потерь напряжения в рельсах AU_х от их среднего значения А (У₀«т.е.

Рассмотрим схему с односторонним питанием (рис. 8.2) при равномерно распределенной и сосредоточенной нагрузках. Здесь при равномерно распределенной нагрузке и длине участка /₀ (рис. 8.2, а) согласно (5.9) и (8.7) потенциалы рельсов относительно земли.

Координата точки на линии с U_x = 0 по (8.8).

Потенциальная диаграмма ?/"(*), полученная по (8.8), показана на рис. 8.2, 6. Участок справа от точки с координатой х₀ есть анодная зона, слева — катодная.

В случае сосредоточенной нагрузки / (рис. 8.2, в)

Потенциалы рельс-земля.

Потенциальные диаграммы для этого случая показаны на рис. 8.2, г.

Рис. 8.2. Схемы и диаграммы к расчету потенциалов рельс-земля при одностороннем питании.

Справа от точки х = располагается анодная зона, слева — катодная.

Если схемы с двусторонним питанием, то сеть по точке токораздела делится на две части, то потенциальные диаграммы получают путем соединения двух диаграмм из схем с односторонним питанием (рис. 8.3, а, б).

Рис. 8.3. Схемы и диаграммы к оценке потенциалов рельс-земля при двустороннем питании.

Если пункты присоединения линий не эквипотенциальны, то между ними по рельсам протекает уравнительный ток, вызывающий дополнительные потенциалы относительно земли (кривая 1, рис. 8.3, 6). Они суммируются по зонам с основными потенциалами (кривая 2), а результирующая диаграмма (кривая 3) имеет большую площадь, что соответствует и большей величине блуждающих токов. Для создания эквипотенциальных условий потенциалы пунктов присоединения выравнивают путем введения добавочных сопротивлений в короткие линии или вольтодобавочных установок в длинные. Реальные формы диаграмм отличаются от показанных здесь из-за шунтирующего эффекта грунта.

Систему рельс-земля-подземное сооружение характеризуют первичными и вторичными электрическими параметрами. К числу первичных параметров относятся удельные сопротивления рельсов р_р,.

сооружения р_с, земли р₃ или их проводимости; сопротивления изоляции рельсов и сооружения. Вторичными параметрами являются переходные сопротивления рельсы — земля /??_ер и сооружение — земля /^ер. Вторичные параметры находят по первичным из трансцендентных уравнений.

Для расчетов потенциалов земли вблизи сооружения рельсовую сеть делят на участки /?_р < 500 м, для которых из потенциальных диаграмм определяют средний потенциал (7_р/. Потенциал земли у ПС, вызванный утечками тока с j участка рельсов, определяется по формуле:

где г_в1, ^гв1> ^гв2″ ^гв2 «радиусы-векторы точки земли и их проекции, отсчитанные от концов j участка рельсовой сети (рис. 8.4).

Потенциал земли в точке / ПС от всех т участков PC

Рис. 8.4. К расчету потенциалов подземного сооружения.

Потенциал подземного сооружения, за который принимают напряжения на изоляционном покрытии, создаваемые его током утечки в середине /-го участка.

где — ^t/₃(_Xj=U_c — абсолютный потенциал подземного сооружения, ^п ы равный среднему потенциалу земли из п точек, взятых в середине участков, на которые поделено сооружение.

Расчеты потенциальных диаграмм сооружения выполняют в такой последовательности: рельсовую сеть делят на т участков и находят средний потенциал U_3i; трубопровод делят на п участков, для средних точек которых по (8.12) и (8.13) определяют потенциалы земли U₂,_xy;

на основании (8.14) находят потенциалы сооружения (рис. 8.4). Наличие потенциальных диаграмм сооружения позволяет решать вопросы его защиты от блуждающих токов.