Электромагнитная совместимость устройств. Конспект лекций для студентов специальности "Электроснабжение железнодорожного транспорта"

• Название: Конспект лекций для студентов специальности "Электроснабжение железнодорожного транспорта"
• Анкор: Электромагнитная совместимость устройств.doc
• Дата: 18.02.2018
• Размер: 1.04 Mb.
• Имя файла: Электромагнитная совместимость устройств.doc
• Тип: Конспект лекций; #15676
• страница: 3 из 8

РЕЗЮМЕ

Протекание тока в контактной сети вызывает появление на смежном проводе напряжения магнитного влияния, которое максимально на одном из концов провода при заземлении на другом конце.

Расчетные формулы для вычисления напряжения магнитного влияния получаются из понятия взаимной индуктивности контуров контактная сеть - земля и смежный провод – земля


Возврат к оглавлению

Лекция 5.

ЭКРАНИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ПРОВОДНИКОВ

5.1. Экранирующее действие параллельно расположенных проводников

В изложении двух предыдущих разделов речь шла только о влиянии контактной сети, хотя тяговая сеть составлена еще и рельсами, через которые ток протекает в обратном направлении, уменьшая магнитное влияние тяговой сети. Однако не только рельсы уменьшают магнитное влияние; подобным эффектом экранирующего действия обладают любые протяженные заземленные проводники вблизи железной дороги, включая вторые провода двухпроводных линий, металлические покровы и жилы кабелей, металлические трубопроводы и т.п.

Для упрощения картины рассмотрим только электрически короткие провода (в смысле, обозначенном в разделе 1.3). Поскольку снижение общего магнитного поля за счет экранирующего действия проводников будет только при протекании тока в экранирующих проводниках, предположим далее хорошее заземление этих проводников по концам. Это условие равнозначно и распределенному заземлению, как у рельсов, поскольку при заземлении провода по концам, как это показано в разделах 3.1 и 4.1, напряжение провода относительно земли во всех точках нулевое (или очень малое), так что заземление провода в любой его точке не изменит электрический режим проводника.

Как и ранее, будем считать, что обратное влияние смежного провода на контактную сеть и на экранирующий проводник отсутствует; предположим, что подобной безответностью обладает и экранирующий проводник по отношению к контактной сети. Будем рассматривать тонкие прямолинейные провода. Длины экранирующих проводников пусть будут не менее длины смежных подверженных влиянию проводов.

При такой постановке задачи экранирующий проводник ничем не отличается от смежного провода: на нем за счет магнитного влияния наводится ЭДС , вектор которого отстает от влияющего тока I_к на угол 90^о. Эта ЭДС создает в проводнике ток I_э, отстающий от ЭДС на угол j, несколько меньший 90^о, поскольку сопротивление проводника имеет активно-индуктивный характер (рис. 14). Величина тока равна

,(11)

где Z_oэ=R_oэ+jωL_oэ - сопротивление 1 км экранирующего проводника, Z_кэ= jω M_кэ - сопротивление взаимоиндуктивной связи между контактной сетью и экранирующим проводником. Этот ток вполне можно рассматривать как влияющий ток, он наводит в смежном проводе ЭДС, величина которой определяется так же, как и для контактной сети:

, (12)

Рис. 14

где Z_эс =jωM_эс - взаимоиндуктивное сопротивление между экранирующим проводником и смежным проводом на 1 км длины смежного провода. Суммарная ЭДС E_s , как это видно из векторной диаграммы рис. 14, существенно меньше ЭДС без экранирующего проводника из-за почти 180-градусного сдвига фаз между двумя наводимыми ЭДС.

Количественной характеристикой экранирующего действия служит коэффициент экранирования, равный отношению суммарной ЭДС к ЭДС, наведенной током контактной сети (то есть к ЭДС без учета экранирования) s =E_s/E. Его можно определить на основании соотношений (11) и (12), обозначив Z =jωM:

; (13)

.(14)

Коэффициент экранирования по модулю лежит между нулем и единицей, и чем он меньше, тем лучше экранирование. Последнее случается, как это видно из формулы (14), когда больше влияние экранирующего проводника на смежный провод, больше влияние контактной сети на экранирующий проводник и когда меньше собственное сопротивление экранирующего проводника и влияние контактной сети на смежный провод.

5.2. Экранирующее действие рельсов Ток электровоза обычно стекает с рельсов в землю на сравнительно небольшом расстоянии от электровоза - не более километра. Это позволяет говорить о том, что в рельсах протекает только индуктированный со стороны контактной сети ток, то есть рельсы можно рассматривать в качестве экранирующего проводника. Соответствующая картинка в поперечном сечении показана на рис. 15. Направления токов I_к и I_р - от наблюдателя (в одну сторону). По аналогии с формулой (13) суммарная ЭДС равна

,(15)

поскольку значения сопротивлений Z и Z_рс близки друг к другу (когда ширина сближения существенно больше высоты смежного провода над землей и высоты эквивалентного контактного провода), то формула (15) упрощается:

,



Рис. 15

откуда коэффициент экранирования рельсов определится формулой (16):

, (16)

где Z_кр = jωM_кр - сопротивление взаимоиндуктивной связи 1 км рельсов с контактной сетью, Z_oр=R_oр+jωL_oр - сопротивление 1 км цепи рельсы-земля. Активное сопротивление рельсов сравнительно большое, а кр меньше L_oр, поэтому большого экранирующего эффекта рельсы не дают. При удельной проводимости земли от 0.001 См/м до 0.1 См/м значение s_р составляет 0.45...0.6 для однопутных участков и 0.4...0.55 для двухпутных, и только при ширине сближения менее 10 м из-за несимметрии рельсов и контактной сети относительно смежной линии экранирующее действие рельсов усиливается, значение s_р снижается до 0.35...0.1 при проводимости земли 0.04 См/м.

В итоге формула для расчета ЭДС магнитного влияния должна быть дополнена коэффициентом экранирования рельсов:

.(17)

Можно рассматривать в качестве провода, находящегося в зоне влияния, обесточенную контактную сеть второго пути двухпутного участка, если по первому пути пропускаются поезда. Правила безопасности требуют навешивания двух заземляющих штанг с обеих сторон от места производства работ со снятием напряжения и заземлением на контактной сети. Если навесить только одну штангу, то электрического влияния практически не будет, но вот за счет магнитного влияния на удалении l от заземляющей штанги в соответствии с формулой (17) будет наводиться напряжение U_м=ωMI_кls_р, или в пересчете на 1 кА тока и на 1 км длины

,

что составит примерно 150 В/(кА*км) - 150 вольт на 1 килоампер тока на каждый километр расстояния от заземляющей штанги. По правилам безопасности расстояние между двумя заземляющими штангами не должно превышать 200 м, при этом в случае возможного плохого контакта одной из штанг наведенное напряжение магнитного влияния в месте установки штанги с плохим заземлением сравнительно невысокое.

5.3. Экранирующее действие оболочки кабеля Если в качестве отправной точки взять однопроводную линию, то кабель коренным образом отличается от нее наличием проводящей оболочки - то ли защитной оболочки и брони, то ли специальной экранирующей оболочки. В простейшем варианте кабель имеет одну жилу и коаксиальный экран, как это показано на рис. 16а в поперечном сечении. Для такой конструкции справедливо выражение (14) для коэффициента экранирования:



где индекс "э" заменен на "об" - оболочка, индекс "с" (смежный провод) - на "ж" (жила), а Z означает сопротивление взаимной индукции между контактной сетью и жилой. Жила и оболочка кабеля находятся практически на одной линии, то есть Z_к-об=Z.

Кроме того, L_o-об=M_об-ж, поскольку собственная индуктивность оболочки (без внутренней индуктивности) определяется магнитным потоком в контуре, помеченном на рис. 16б пунктирными линиями, при токе в оболочке 1 А, а взаимная индуктивность между оболочкой и жилой определяется магнитным потоком, создаваемым током оболочки 1 А в контуре жилы, помеченном точечными линиями. Эти два контура практически совпадают, поэтому

,

так что коэффициент экранирования кабеля (называемый еще коэффициентом защитного действия) определяется активным сопротивлением его оболочки:

. (18)

К сожалению, для кабеля в земле принятое при выводе формулы (14) предположение об электрически коротком экранирующем проводнике уже неприемлемо, поскольку длина волны электромагнитного поля в земле как в проводнике много меньше, чем длина волны поля в воздухе. Кроме того, сопротивления заземления оболочки кабеля по концам реально не равны нулю. Поэтому коэффициент экранирования, определяемый формулой (18), называют идеальным коэффициентом экранирования. Реальный коэффициент экранирования для кабелей с ферромагнитными покровами зависит и от величины наводимой в нем ЭДС магнитного влияния из-за зависимости магнитной проницаемости оболочки от величины тока в ней. С ростом ЭДС магнитная проницаемость сначала увеличивается со снижением коэффициента экранирования, а затем, при насыщении ферромагнетика, падает с увеличением s_об и ухудшением экранирования. "Правила защиты..." [1, 2] содержат информацию по определению реальных коэффициентов экранирования разных типов кабелей в зависимости от величины продольной ЭДС на оболочке на 1 км ее длины.



Рис. 16

Кроме оболочки кабеля, в многожильном кабеле экранирующим действием обладают и соседние жилы, у которых обычно s _ж > 0.9...0.95, то есть действие жил сравнительно мало.

Результирующая ЭДС в жиле кабеля будет определяться выражением (19)

.(19)
РЕЗЮМЕ

Рельсы, оболочки кабелей и другие проводящие заземленные объекты снижают напряжение магнитного влияния. Учет экранирующего действия подобных объектов производится введением коэффициента экранирования, показывающего остающуюся долю наводимого напряжения из-за экранирования.


Лекция 6.

ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ

6.1. Особенности гальванического влияния

Закономерности гальванического влияния существенно отличаются от закономерностей электрического и магнитного влияний. Наиболее существенные отличия заключаются в следующем.

1. Гальваническому влиянию подвержены смежные линии, имеющие заземления (однопроводные цепи, проложенные в земле металлические сооружения и коммуникации, кабели). Очевидно, что для проявления влияния необходимо либо минимум две точки заземления, либо гальванический контакт с рельсом и минимум одна точка заземления.

2. Гальваническое влияние вызывается так называемыми блуждающими токами, возникающими вследствие утечки тока из рельсов в землю. Потенциалы отдельных точек земли зависят при этом от тока в контактной сети, сопротивления рельсов, переходного сопротивления рельсы - земля, удельной проводимости земли. Из-за неоднородности земли и изменения тока в рельсах потенциалы точек земли вблизи рельсов изменяются нерегулярно во времени и по поверхности земли.



Рис. 17

3. Наибольшая величина напряжения при гальваническом влиянии наводится при расположении смежной линии перпендикулярно к оси железной дороги и в случае, когда один из заземлителей однопроводной линии находится в удаленной точке земли с нулевым потенциалом (рис. 17).

4. Оценку величины U_г в зависимости от ширины сближения, проводимости земли и глубины заземлителя для тока контактной сети 1000 А можно провести по графикам "Правил защиты..." [1,2]. Расчеты проводят для двух режимов работы тяговой сети: короткого замыкания и вынужденном. При переменном токе с гальваническим влиянием можно не считаться, если удельная проводимость земли более 0.1 См/м, а также при наличии в тяговой сети отсасывающих трансформаторов.

5. При электрификации на постоянном токе основную опасность гальванического влияния составляет электрокоррозия подземных сооружений.

В связи с указанной спецификой гальванического влияния в данном разделе будет рассматриваться влияние тяговой сети постоянного тока.

6.2. Качественная картина влияния блуждающих токов на подземные сооружения

Анализ закономерностей гальванического влияния сильно усложняется неоднородностью структуры земли, поэтому далее представлены лишь самые общие закономерности гальванического влияния на подземную коммуникацию, расположенную параллельно оси железной дороги. Качественная картина влияния рассмотрена на простейшей схеме рис. 18а, где представлены тяговая подстанция постоянного тока и один электровоз. Буквой Р обозначены рельсы, К - коммуникация (кабель или трубопровод), стрелками показаны пути протекания тока, расстояние между подстанцией и нагрузкой - l. Попробуем проследить процессы в этой системе с точки зрения возможной электрокоррозии.

В системе есть некоторое падение напряжения на контактной сети и в рельсах (вместе с землей), а в основном напряжение подстанции падает на электровозе. Из-за протекания тока в рельсах и в земле нулевой потенциал (соответствующий потенциалу удаленной земли) находится где-то посередине между подстанцией и электровозом, в точке заземления подстанции потенциал отрицателен, а у электровоза - положителен. На рис. 18б показано распределение потенциала по координате, отсчитываемой от тяговой подстанции, для рельса φ_р и для земли под рельсом φ_з. За счет разности этих потенциалов ток с рельсов стекает в землю, убывая при уменьшении расстояния от подстанции до точки наблюдения вплоть до середины участка, а затем снова подрастая за счет подтекающего из земли тока (рис. 18в). Направление тока в рельсах вне участка подстанция - электровоз меняется на противоположное, в отличие от тока через поперечное сечение земли, который течет все время в одну сторону и увеличивается при уменьшении тока в рельсах (рис. 18г). Подтекающий к подстанции из рельсов с двух сторон ток (или стекающий в рельсы от электровоза) равен току в контактной сети I, а ток в земле равен разности токов контактной сети и рельса, I_з I - I_р .

Картина распределения потенциалов подземной коммуникации и земли вблизи нее (рис. 18д) повторяет в сглаженном виде распределение потенциала рельсов (причем с углублением в землю потенциалы уменьшаются), а разность потенциалов земля - коммуникация обусловливает втекающий в коммуникацию ток. На рис. 18е показано распределение тока утечки с подземной коммуникации, причем I_1ут - это ток, стекающий с 1 км длины коммуникации в землю. Соответственно по поперечному сечению коммуникации течет ток, распределение которого показано на рис. 18ж.



Рис. 18

Рис. 18е разбивает подземную коммуникацию на две зоны. Первая из них - зона входа тока в коммуникацию (ток утечки отрицателен). Она называется катодной зоной, поскольку потенциал коммуникации относительно окружающей земли здесь отрицателен; лежит эта зона вблизи электровоза. Вторая зона, называемая анодной зоной - это зона выхода тока из коммуникации, она лежит вблизи подстанции. Как видно, наибольшая плотность токов утечки наблюдается в точке наибольшего по модулю потенциала рельсов, и анодные зоны подземных сооружений расположены напротив катодных зон рельсового пути и наоборот.

Почва, в которой прокладываются коммуникации, с электрической точки зрения представляет собою электролит, в котором переносчиками электрического заряда при протекании тока служат ионы. В электролите металлический анод подвергается интенсивной электрокоррозии, причем убыль металла согласно первому закону электролиза Фарадея пропорциональна величине стекающего с анода тока. При больших токах происходит разрушение и в катодных зонах. Эти зоны на железной дороге из-за перемещения электровозов постоянно перемещаются, поэтому выбор мероприятий по защите от электрокоррозии производится на основе выполненных на линии измерений.

6.3. Гальваническое влияние на опоры контактной сети

Хотя влияние блуждающих токов, как показано в предыдущем разделе, происходит на протяженные коммуникации, однако с эффектом электрокоррозии при электрификации на постоянном токе приходится считаться и для опор контактной сети. Возникающая проблема связана с необходимостью заземления металлических поддерживающих конструкций опоры на тяговые рельсы, поскольку в другом варианте возможное перекрытие изоляции контактной сети на опоре приведет к протеканию больших токов через самозаземление опоры. Эти токи еще не слишком велики, чтобы работала защита от коротких замыканий, но они очень быстро разрушат опору вплоть до ее падения. Заземляют опору обычно через искровые промежутки или защитные диоды (рис. 19). Необходимость установки последних и определяется тем, какая же зона преимущественно находится на рельсах - анодная или катодная. Заземлять арматуру опоры в катодной зоне можно прямо на рельс, а вот соединение на рельс в анодной зоне может привести к ускоренной коррозии арматуры опоры.

Искровые промежутки и защитные диоды иногда выходят из строя, причиной чего служат в основном перенапряжения в рельсах. В таких случаях возникают токи утечки, зависящие от напряжения рельс - земля и сопротивления опоры. При групповых заземлениях опор возникают перетоки между опорами. Чтобы установить необходимость монтажа искровых промежутков или защитных диодов, установить первоочередность контроля искровых промежутков и фундаментных частей опор, проводят соответствующие измерения на линии. Непосредственно ток утечки с опоры контролировать сложно, поэтому измеряют значения потенциалов рельс - земля в месте нахождения заземления и сопротивление опоры.

Сопротивление железобетонной опоры складывается из двух составляющих: это сопротивление верхнего пояса (поддерживающие конструкции - арматура) и сопротивление арматура - земля. Последнее не превышает 60 Ом, а чаще находится в пределах 10...30 Ом. Сопротивление верхнего пояса зависит от контакта между хомутом и арматурой.



Рис. 19

Измерение разности потенциалов производят вольтметром с большим внутренним сопротивлением и нулем посередине шкалы, с верхним пределом 50 - 100 В. Вторым электродом служит стальной штырь или неполяризующийся медно-сульфатный электрод. Второй электрод устанавливается в грунт в середине пролета между опорами в створе опор, а контакт с рельсом осуществляется установкой рельсового зажима на подошву или присоединением проводника непосредственно к стыковому соединителю. Измерения проводят не реже чем через 1 км.

В каждой точке измеряют напряжения при нормальной работе электротяги в течение не менее 5 мин со снятием показаний через 10 с, за период измерения должно пройти не менее одного поезда [12]. При обработке отделяют положительные и отрицательные величины потенциалов и вычисляют средние положительные и средние отрицательные величины потенциалов за период измерений, усредняя их по общему числу отсчетов. Разделив средний положительный потенциал на сопротивление опоры, определяют ток утечки с опоры при нарушении изоляции цепи заземления. Для железобетонных опор этот ток не должен превышать 40 мА.

Кроме потенциалов рельсов, дополнительно контролируют утечку тягового тока с рельсов, сопротивление рельсовых стыков, сопротивление заземления конструкций (не только опор), потенциалы подземных коммуникаций и другие параметры.