Электромагнитная совместимость устройств. Конспект лекций для студентов специальности "Электроснабжение железнодорожного транспорта"
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
Самарская Государственная Академия Путей Сообщения Кафедра ЭСЖТ Заведующий кафедрой: профессор д.т.н. Григорьев В.Л. Преподаватель Дисциплины: Окладов С.А. Электромагнитная совместимость устройств электрифицированных железных дорог Конспект лекций для студентов специальности "Электроснабжение железнодорожного транспорта" 2005 год ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ Лекция 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЛИЯНИЙ Лекция 2. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ И СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ Лекция 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ КОНТАКТНОЙ СЕТИ НА СМЕЖНЫЕ ЛИНИИ Лекция 4. МАГНИТНОЕ ВЛИЯНИЕ КОНТАКТНОЙ СЕТИ НА СМЕЖНЫЕ ЛИНИИ Лекция 5. ЭКРАНИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ПРОВОДНИКОВ Лекция 6. ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ Лекция 7. ЗАЩИТА ОТ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ. СУММИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ РАЗНЫХ ВИДОВ ВЛИЯНИЯ Лекция 8. РАСЧЕТЫ ВЛИЯЮЩИХ ТОКОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ И ВЫНУЖДЕННОМ РЕЖИМЕ Лекция 9. ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Лекция 10. ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ НА ЛИНИИ ПР И ДПР Лекция 11. НОРМЫ ОПАСНЫХ И МЕШАЮЩИХ ВЛИЯНИЙ Лекция 12. МЕШАЮЩИЕ ВЛИЯНИЯ НА СМЕЖНЫЕ ЛИНИИ Лекция 13. ИСТОЧНИКИ МЕШАЮЩИХ ВЛИЯНИЙ Лекция 14. АКТИВНЫЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЙ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ НА СМЕЖНЫЕ ЛИНИИ Лекция 15. ПАССИВНЫЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЙ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ НА СМЕЖНЫЕ ЛИНИИ Заключение БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Лекция 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЛИЯНИЙ 1.1. Терминология и определения При обсуждении вопросов электромагнитной совместимости электротехнических устройств друг с другом приходится говорить о влиянии отдельных цепей или устройств на другие цепи или устройства. Под влиянием далее будем понимать процесс (или состояние) такого типа, при котором в некоторых устройствах будут появляться дополнительные напряжения и токи за счет перекачки части электрической энергии из других устройств. При этом внешними влияниями назовем влияния на низковольтные цепи со стороны высоковольтных (или сильноточных) цепей, а взаимными - влияния от соседних цепей одной или однотипной линии. Так, внешними будут влияния со стороны тяговой сети на линии связи, а взаимными - влияния друг на друга разных пар многопроводной линии связи. Влияющая линия создает в окружающем пространстве электрическое поле, определяемое напряжением в линии, а также магнитное поле, связанное с токами в линии. По характеру зависимости от времени влияющих напряжений и токов различают постоянные напряжения и токи, периодические напряжения и токи и импульсные напряжения и токи. По механизму влияния различают три следующих вида. Во-первых, электрическое влияние, появляющееся за счет электрического поля влияющей линии (контактной сети) или, по-другому, за счет емкостной связи между линиями (рис. 1а).  Рис. 1 Контактную сеть и смежный провод можно рассматривать как обкладки конденсатора емкостью 1 l, где C1 - емкость между смежной линией и контактной сетью на 1 км длины системы, l - длина системы, км. Вместе со вторым конденсатором с обкладками смежная линия - земля емкостью C0 l этот конденсатор образует емкостный делитель, определяющий напряжение электрического влияния на смежной линии (рис. 1б)  ,которое не зависит от длины системы, если смежная линия находится полностью в зоне влияния. Наличие утечки по изоляции смежной линии R из приводит к тому, что при строго постоянном напряжении влияющей линии электрическое влияние отсутствует. Система электрической тяги постоянного тока в нормальном режиме оказывает влияние на смежные линии только из-за пульсаций выпрямленного напряжения.  Рис. 2 Во-вторых, магнитное влияние, обусловленное наведением ЭДС в замкнутых контурах при пересечении их переменным магнитным полем (рис. 2). Ток, протекающий в контактной сети, создает магнитное поле в окружающем пространстве. В контуре смежный провод - земля переменным магнитным полем наводится ЭДС, величина которой определяется законом электромагнитной индукции по выражению  для синусоидальных токов E2=-jωФ , где Ф - магнитный поток под смежной линией в воздухе и в земле.Можно говорить о существовании воздушного трансформатора, первичная обмотка которого образована контактной сетью и землей, а вторичная обмотка - это контур смежная линия - земля. Наибольшее магнитное влияние создается контактной сетью при системе 1х25 кВ. При электротяге постоянного тока магнитное влияние обусловлено только пульсациями тока в контактной сети, а строго постоянный ток создает постоянное магнитное поле, от которого ЭДС не возникает. Система тяги 2х25 кВ занимает промежуточное положение по степени опасности магнитного влияния. В-третьих, это гальваническое влияние, возникающее за счет токов, протекающих в земле, на объектах, имеющих заземления. Кроме того, различные виды влияний подразделяют по значениям наводимых напряжений, то есть по силе воздействия, на опасные и мешающие влияния. Опасные влияния могут вызвать поражения людей электрическим током или привести к повреждениям аппаратуры или пожарам, а мешающие влияния, которые меньше по величине и только снижают устойчивость работы линий связи или телемеханики, нарушают нормальную их работу и действуют как помехи. В связи со сказанным введены еще несколько понятий и определений. Так, сближением между электрифицированной железной дорогой и смежными линиями называют такое взаимное их расположение, при котором в цепях этих линий могут возникать опасные и мешающие напряжения и токи, то есть смежные линии находятся в зоне влияния ЭЖД. Длиной сближения называют длину той части смежной линии, которая находится в зоне влияния тяговой сети ЭЖД. Шириной сближения называется кратчайшее расстояние между осью железной дороги и проводами смежной линии. 1.2. Влияющие линии и линии, подверженные влиянию В большинстве случаев влияющие линии можно отнести к одному из двух видов: симметричные цепи и несимметричные цепи. Симметричными называют такие цепи, которые имеют одинаковые по модулю токи и напряжения во всех проводах, сдвинутые на 180о в двухпроводных цепях и на 120о в трехпроводных относительно друг друга. Векторная сумма напряжений (остаточное напряжение) такой цепи равна нулю, а ток нулевой последовательности (ток в земле) отсутствует. Провода такой линии имеют одинаковые первичные и вторичные параметры. Влияние симметричной линии на смежную линию минимально и может возникнуть лишь из-за различия параметров связи между отдельными проводами влияющей линии и проводами смежной линии, подверженной влиянию, то есть из-за поперечной несимметрии. Несимметричными называют такие цепи, провода которых характеризуются разными параметрами, а токи и напряжения в проводах по величине не равны между собой. Углы сдвига фаз в общем случае отличаются от 180о в двухпроводной цепи или 120о в трехпроводной. Если же земля используется в качестве одного из рабочих проводов и по земле протекает полный рабочий ток цепи, то влияние на смежную линию будет наибольшим. Влияющие линии могут быть разделены на четыре основные группы. Наиболее важной группой влияющих линий с профессиональной точки зрения являются провода тяговой сети и линии, расположенные на опорах контактной сети. Это тяговая сеть электрифицированной железной дороги постоянного и переменного тока. Наибольшее влияние оказывает тяговая сеть переменного тока 1х25 кВ, являющаяся полностью несимметричной цепью и характеризуемая токами в сотни ампер. Влияние тяговой сети 2х25 кВ в несколько раз меньше, а тяговая сеть постоянного тока оказывает влияние только из-за пульсаций выпрямленного напряжения. Выпрямители и инверторы на тяговых подстанциях или на ЭПС определяют наличие высших гармоник в напряжении и токе тяговой сети. Поскольку рассматриваются линии, прокладываемые вблизи железной дороги, то влияние тяговой сети обычно самое значительное из возможных видов влияния. Далее по тексту чаще всего речь будет идти о влиянии именно тяговой сети на смежные линии. Из линий, расположенных на опорах контактной сети или на отдельных опорах, значительное влияние оказывают линии систем ДПР и ПР. У этих линий рабочее напряжение такое же, как и напряжение контактной сети, однако протекающие токи значительно меньше, соответственно меньше и магнитное влияние этих линий. Линии питания автоблокировки и продольного электроснабжения напряжением 6-10 кВ, помимо существенно меньшего напряжения по сравнению с контактной сетью, в нормальном режиме характеризуются симметричной системой напряжений по отношению к земле. Три емкостных тока электрического влияния в сумме дают малую величину, отличную от нуля только за счет разных расстояний проводов ЛЭП до смежного провода, подверженного влиянию (рис. 3). Токи линий электропередачи, как правило, несинусоидальны, поэтому они могут быть источниками влияний в широком диапазоне частот. Значительное влияние могут оказывать трехфазные линии внешнего электроснабжения ввиду больших напряжений и токов. Практически влияние этих линий сказывается редко из-за большого расстояния до этих линий и более-менее симметричного режима в них.  Рис. 3 Из природных факторов немало неприятностей приносят разряды молнии, которые вызывают появление больших импульсных напряжений и токов. Подверженными влиянию оказываются все смежные линии, расположенные в зоне влияния контактной сети или одной из перечисленных выше линий: отключенная секция контактной сети, отключенная секция линии электропередачи, волноводный провод, линии низкого напряжения и линии связи. Влияние контактной сети 1х25 кВ вызывает также изменения режима работы линий 6-10 кВ, расположенных на опорах контактной сети, поскольку нарушается работа системы сигнализации от однофазных коротких замыканий. В общем, наводимые напряжение тем больше, чем ближе смежная линия к влияющему проводу, поэтому провода, подвешенные на опорах контактной сети, подвержены наиболее сильному влиянию со стороны последней. РЕЗЮМЕ Тяговая сеть электрифицированной железной дороги оказывает электрическое, магнитное и гальваническое влияния на смежные линии. Электрическое влияние обусловлено емкостными связями между контактной сетью и смежным проводом, магнитное влияние возникает из-за переменного магнитного поля, создаваемого током контактной сети, а гальваническому влиянию подвержены цепи, имеющие заземления. Возврат к оглавлению Лекция 2. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ И СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ 2.1. Особенности тяговой сети и принятые допущения Для устройств электроснабжения электрифицированной железной дороги тяговая сеть является основным видом влияющей цепи. Она включает в свой состав тяговую подстанцию, электровозы и тяговую сеть. В тяговую сеть входят питающие и отсасывающие провода, провода контактной сети, рельсы с распределенной проводимостью на землю и сама земля. Влияющее напряжение тяговой сети равно рабочему напряжению контактной сети, а ток в земле по модулю соизмерим с током контактной сети. Поэтому тяговая сеть практически полностью несимметрична и оказывает сильное влияние на соседние цепи. При рассмотрении влияния тяговой сети на смежные линии придется считаться с распределенностью системы и с большой ее электрической длиной. Для упрощения далее приняты во внимание следующие допущения: 1) при анализе влияния тяговой сети вначале будет рассмотрено влияние только контура контактная сеть - земля; влияние рельсов будет учтено несколько позже; 2) смежную линию будем считать однородной и вначале однопроводной, затем перейдем к двухпроводной линии как к сочетанию двух однопроводных; 3) сближение с контактной сетью будем считать параллельным и вначале будем полагать длину сближения равной длине смежной линии; 4) напряжения и токи в контактной сети и в смежной линии считаются синусоидальными, во всяком случае, речь будет идти о гармонических синусоидальных составляющих при учете несинусоидальности. 2.2. Простейшая линия и ее параметры Наиболее распространенным механизмом для анализа процессов в электрических цепях и предсказания их поведения являются законы Кирхгофа в совокупности с законом Ома и производные от них методы (контурных токов, узловых потенциалов, узловых напряжений и другие). К сожалению, все эти методы не учитывают запаздывание распространения электромагнитного поля и годятся только для электрически коротких цепей. Кроме того, все элементы электрической цепи рассматриваются квантованно, то есть распределенность элементов никак не учитывается, что не позволяет говорить о распределении потенциала по элементу даже в случае электрически малой его длины. Максимальная скорость распространения электромагнитного поля в пространстве составляет 300 м/мкс. Цепь будет электрически короткой, если время распространения поля вдоль нее много меньше времени существенного изменения напряжения или тока в цепи; считается, что для синусоидальных напряжений и токов можно говорить о небольшой длине линии, если время распространения поля вдоль нее не превышает одной десятой периода напряжения. Для двухпроводной воздушной линии с расстоянием между проводами 3 м, высоте расположения проводов над землей 30 м и длине линии 30 км время распространения поля между проводами составит 0.01 мкс, между проводами и землей - 0.1 мкс, вдоль линии - 100 мкс, так что для электромагнитных процессов между проводами можно говорить о малых расстояниях между проводами до частот 10 Мгц, между проводами и землей - до 1 Мгц, а вдоль проводов - до частот не более 1 кГц, что соответствует частотам высших гармоник электроэнергетических систем. Именно до таких частот можно предсказывать поведение двухпроводной системы с помощью законов Кирхгофа и производных от них методов; далее нужно использовать что-нибудь другое. Двухпроводная линия, кроме всего прочего, является простейшей из многопроводных линий, составленных из тонких параллельных друг другу проводов. Почему это так? Потому, что более простая по конструкции однопроводная линия либо использует землю в качестве обратного провода и надо заниматься вопросами распределения тока в проводящей земле, то есть теорией поля, что очень непросто; либо один провод излучает электромагнитное поле в окружающее пространство (если земля электрически далеко), что в общем случае ничуть не проще, чем с землей. Когда же проводов два, а расстояние между ними много меньше расстояния до земли, то два этих провода являются самодостаточной системой, земля им не нужна, поскольку электрическое поле двух противоположно заряженных проводов уменьшается с ростом расстояния от проводов по кубическому закону и земле почти ничего не перепадает; примерно такая же картина получается и с магнитным полем, когда токи по проводам по соседству (в одном сечении перпендикулярно проводам) протекают одинаковые и противоположных направлений. Так что пока речь пойдет о двухпроводной линии, для которой можно не учитывать наличие расположенных вблизи нее предметов (рис. 3). Источник ЭДС в начале линии обеспечивает такое разделение зарядов, что на одном проводе будет заряд +q, а на другом -q, а также и токи в проводах оказываются одинаковыми и противоположно направленными. Если на некотором расстоянии x от начала линии выделить электрически короткий участок dx, то можно обойти трудность, связанную с невозможностью применения законов Кирхгофа к длинной линии; на малой длине dx при малости расстояний h и d по сравнению с длиной l линии на участке dx законы Кирхгофа вполне применимы! Однако вначале следует составить схему замещения участка dx, что сделано на рис. 4а. На нем элементы dR' и dR" отражают потери энергии в проводах на их нагрев, dL', dL" и dM отображают собственные индуктивности проводов и их взаимосвязь через магнитное поле, причем начала катушек расположены слева, но направления токов в катушках противоположны, что отвечает частичной взаимной компенсации магнитных полей двух проводов; емкостный элемент dC отображает запас энергии в электрическом поле между проводами, а проводимость dG соответствует утечке по изоляции между проводами. Поскольку токи в верхнем и нижнем проводах одинаковы, можно объединить нижние элементы с верхними, оставив внизу только общий провод, при этом потенциалы проводов будут другими, но напряжения между проводами не изменятся, так что схема рис. 4б вполне пригодна для дальнейшего анализа. На этой схеме ток i и напряжение u являются функциями координаты и времени i=i(x,t), u=u(x,t) и при приросте переменной x на малую величину dx они прирастают на малые величины di и du. Можно считать, что параметры схемы замещения пропорциональны длине dx, то есть dR = R0 dx, dL = L0 dx, dC = C0 dx, dG = G0 dx, где величины R0 (Ом/км), L0 (Гн/км), C0 (Ф/км), G0 (См/км), называемые первичными параметрами линии, не зависят от координаты x в случае однородной линии, то есть такой линии, у которой провода и их взаимное расположение одинаковы по всей длине линии. Эти параметры не зависят обыкновенно также и от времени t. Смысл параметров следующий: R0, L0 - это сопротивление и индуктивность линии длиной 1 км, замкнутой на конце, а C0, G0 - емкость и проводимость утечки по изоляции для линии длиной 1 км с изолированными друг от друга проводами.  Рис. 3  Рис. 4 Уравнения по законам Кирхгофа для малого участка dx по рис. 4б выглядят следующим образом:  что после простейших преобразований приводит к системе дифференциальных уравнений в частных производных, называемых телеграфными уравнениями длинной линии:  (1)Эти уравнения достаточно просто разрешаются для синусоидальных токов и напряжений, u = Um e j(ωt + Ψ), i = Im ej(ωt + ψ), когда производные по времени заменяются произведением jω на комплексное действующее значение напряжения или тока (j - мнимая единица, ω - круговая частота):  (2)где  После дифференцирования первого уравнения системы (2) по переменной x и подстановки в него второго уравнения получается уравнение вида  решением которого является выражение (3) (3)представляющее собою сумму отраженной  и падающей  волн, распространяющихся в направлении убывания координаты x и в направлении нарастания соответственно. Величина  , определяющая этот процесс, называется постоянной распространения. Она составлена вещественной и мнимой частями,  , которые называют соответственно коэффициентом затухания (он определяет уменьшение амплитуды напряжения после 1 км распространения) и коэффициентом фазы (этот коэффициент определяет набег фазы напряжения через 1 км). Единицы их измерения - 1/км; иногда применяются для коэффициента затухания единица Нп/км (непер на километр), поскольку коэффициент стоит в показателе экспоненты, и Нп/км - это то же, что и 1/км. Для коэффициента фазы часто вместо 1/км указывают рад/км (что то же самое), поскольку этот коэффициент является показателем мнимой экспоненты, то есть аргументом синуса и косинуса в разложении мнимой экспоненты.Для определения тока достаточно подставить решение (3) в первое уравнение системы (2), при этом получается выражение (4)  (4)в котором ток также представлен суперпозицией отраженной и падающей волн. В выражениях (3) и (4)   - комплексные константы, определяемые источником энергии и нагрузкой в начале и в конце линии, а называется волновым сопротивлением линии, поскольку определяет соотношение между волнами напряжения и тока. Величины и  называют еще вторичными параметрами линии.При задании граничных условий в линии будут определены константы в решении (3) - (4) и могут быть получены формулы с гиперболическими функциями. При рассмотрении процессов, происходящих на частоте 50 Гц, можно пока обойтись без этого, но в дальнейшем, при рассмотрении вопросов расчета мешающих влияний, придется иметь дело со вторичными параметрами линии и с гиперболическими функциями. 2.3. Модель однопроводной линии при сближении с контактной сетью В этом разделе речь пойдет уже не о простейшей двухпроводной линии. Однако дело не столь уж сложное: однопроводную линию с возвратом тока через землю можно заменить эквивалентной двухпроводной линией, если высота подвеса провода над землей электрически мала (то есть много меньше длины волны электромагнитного поля в воздухе для синусоидальных напряжений и токов). При этом второй провод заменяет землю, и задача остается в рамках простейшей линии. Вопрос же о параметрах эквивалентной линии пока оставим в покое. Необходимость подобного рассмотрения ясна: придется разбираться и с процессами в тяговой сети (контактная сеть - заземленные рельсы), и с напряжениями на проводе связи относительно земли (которые могут быть опасными для людей). Кроме того, будем далее предполагать малой в электрическом смысле и ширину сближения, что выполняется всегда и на высших гармониках. Подобные предположения позволят воспользоваться статическими понятиями емкости, собственной и взаимной индуктивности элементов; вопрос, таким образом, будет заключаться в степени необходимого дробления схемы для возможности рассмотрения напряжений внутри распределенной системы.  Рис. 5 Если вести речь только об опасных влияниях, сказывающихся на основной частоте, то и длина системы обычно электрически мала, и можно вполне обойтись схемой замещения с сосредоточенными параметрами. Нужно, однако, иметь в виду, что для емкостного элемента предполагается эквипотенциальность обкладок, что потребует представления двухпроводной системы не одним, а несколькими конденсаторами. В целом же можно воспользоваться обычным приемом эквивалентирования длинной линии цепочечными схемами [10], выбрав для одной ячейки П-образную схему замещения и пренебрегая для простоты активными элементами. Чтобы иметь представление о напряжениях в середине линии, нужно взять по крайней мере две таких ячейки (рис. 5).  Рис. 6 На этом рисунке C1 - емкость между контактной сетью и смежным проводом на 1 км длины системы, С0 - емкость 1 км смежного провода по отношению к земле, M - взаимная индуктивность между контактной сетью и смежным проводом на 1 км длины смежного провода, l - длина смежного провода. Взаимную индуктивность можно учесть либо вносимым в схему смежного провода сопротивлением, либо эквивалентным источником ЭДС, определяемым законом электромагнитной индукции. Далее будет использован последний метод, так что в схеме вместо взаимной индуктивности будет источник ЭДС в каждой ячейке для провода связи с направлением в соответствии с направлением тока Iк (слева направо для рис. 5). Величина ЭДС равна для синусоидального тока  при двух ячейках, что изображено на рис. 6. |