Распределение гармоник тягового тока

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГАРМОНИК ТЯГОВОГО ТОКА
ПО ДЛИНЕ ФИДЕРНОЙ ЗОНЫ
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ

Рассмотрены вопросы электромагнитной совместимости тяговой сети с рельсовыми цепями.
Разработана математическая модель для оценки распределения гармоник тягового тока по длине фидерной зоны
и определения величины блуждающих токов. Представлены результаты моделирования для гармоник 50 и 100 Гц,
содержащихся в обратном тяговом токе.

Устройства, обеспечивающие безопасность движения поездов и соединенные с рельсами, подвергаются постоянному воздействию
помех со стороны тягового электроснабжения. Таким образом, рельсовые цепи (РЦ) оказываются под непосредственным влиянием
помех со стороны тягового тока. Гармонический состав тягового тока обычно известен или в результате теоре-тических,
или экспериментальных исследова-ний.

Для оценки воздействия помех на путевые приемники рельсовых цепей необходимо разработать математическую модель, описывающую динамические электромагнитные процессы, протекающие в тяговой сети.

Проанализируем существующие схемы замещения тягой сети. Самой распространенной теорией в этой области является построение математической модели на основе теории четырехполюсника, в котором одна длинная линия представляет собой контактную сеть, а вторая - рельсовую сеть [1,2]. Такое представление тяговой сети позволяет определить напряжение в любой точке контактной сети в пределах фидерной зоны для любой гармоники при одностороннем или двустороннем питании, но не учитывает индуктивные и емкостные зависимости между контактной сетью, линиями продольногоэлектроснабжения и рельсами для создания более полной картины электромагнитной обстановки на данном участке. В работе [3] системы внешнего и тягового электроснабжения рассматриваются как многопроводные, а в линиях с распределенными параметрами учитываются индуктивные и емкостные связи. Но предложенный авторами метод многополюсника применим только для системы тягового электроснабжения 2 х 25 кВ, поскольку предполагает выделение участка, на котором происходит электропотребление в отдельный многополюсник. Таким образом, расчет ведется только для данного участка фидерной зоны. В системе тягового электроснабжения 3 кВ постоянного тока и 25 кВ переменного тока электропотребление происходит по длине всей фидерной зоны. К тому же предлагаемая авторами [3] методика позволяет вести расчет коэффициента асимметрии токов и напряжений в системе внешнего электроснабжения, которая возникает в результате неравномерной загрузки фаз, но не определяет степень воздействия системы внешнего и тягового электроснабжения на работу рельсовых цепей.

С целью учета влияния всех видов помех на работу рельсовых цепей и системы автоматической локомотивной сигнализации (АЛС), необходимо разработать математическую модель системы тягового электроснабжения, которая позволила бы оценить распределение гармоник тягового тока по длине фидерной зоны и определить величину токов утечки при различных величинах сопротивления балласта и изоляции контактной сети.

Таким образом, целью работы является экспериментальное определение частотных харак-теристик путевых приемников рельсовых це-пей, выявление опасных и мешающих помех с точки зрения нормального функционирования рельсовых цепей, создание математической модели, описывающей динамические процессы в тяговой и рельсовой сети, которая позволит учитывать влияние различных факторов на распределение напряжения и токов гармоник в рельсах.

В результате экспериментальных исследований были определены частотные характеристики путевых приемников кодовых рельсовых цепей 25, 50, 75 Гц и станционных рельсовых цепей 25 и 50 Гц.

На вход путевого приемника рельсовой цепи частотой 50 Гц с реле ИВМШ-110 и фильтром ЗБФ-1 подавались синусоидальные сигналы частотой от 20 до 120 Гц от генератора звуковой частоты напряжением 24, 18,5, 15 и 10 В. Путевое реле становилось под ток при напряжении 2,6…2,8 В и частоте 35…37 Гц, практически не завися от напряжения питания приемника. Что касается напряжения обесточивания реле, то оно составляло порядка 2,4 В. Частота, при которой происходило отпадание якоря реле, сильно зависит от напряжения на входе приемника и может достигать 115 Гц. Следовательно, частоты 50, 75, 100 Гц, найденные в спектре обратного тягового тока, являются опасными для путевых приемников перегонных рельсовых цепей 50 Гц и могут привести к ложному срабатыванию реле [4].

Таким образом, путевое реле РЦ 50 Гц срабатывает при токе в рельсах 1,3…1,6 А частотой 50 Гц, отпускает якорь при токе в 2 раза меньшем тока срабатывания (примерно 0,6 А). Путевое реле срабатывает при токе в рельсах 3,8 А частотой 75 Гц и 5 А частотой 100 Гц.

Что же касается рельсовых цепей 75 Гц, то здесь наиболее опасными являются помехи частотой 60…90 Гц, которые проходят через фильтр и расшифровываются дешифратором как полезный сигнал и могут вызвать нарушения в работе рельсовых цепей. Причиной возникновения помех данной частотой могут быть напольные устройства СЦБ (блуждающие токи соседних блокучастков), несимметрия питающего напряжения тяговых подстанций, работа тяговых двигателей электровоза и их импульсных преобразователей и др.

Исследование аппаратуры релейного конца кодовой РЦ 25 Гц, защищенной фильтром ФП-25, показало, что реле надежно отпускает свой якорь при напряжении 2,2 В при частотах 31,5, 33, 36 Гц и напряжении входе 10, 15 и 20 В соответственно. Таким образом, опасной в данном случае будет являться помеха с частотой 25 Гц. От остальных частот путевой приемник надежно защищен.

Также была снята зависимость напряжения срабатывания и отпускания реле ИМВШ-110 от частоты. Для этого сигнал разной частоты подавался на вход реле. В результате было получено, что при частоте от 20 до 150 Гц напряжение срабатывания реле медленно увеличивалось от 3 до 3,4 В. Напряжение отпускания якоря составило 2,4 В. Вообще, реле ИМВШ-110 срабатывает в достаточно широком диапазоне частот (до десятков килогерц). При этом напряжение срабатывание незначительно увеличивается с ростом частоты до 3,7 В, что связано с потерями в сердечнике.

При электротяге постоянного тока на кодируемых и стрелочных участках используются фазочувствительные рельсовые цепи с питанием и кодированием током частотой 50 Гц. На релейном конце таких рельсовых цепей применено путевое реле ДСШ-12. Параллельно путевой обмотке реле включен конденсатор С емкостью 4 мкФ, который уменьшает реактивную мощность цепи и улучшает фазовые соотношения. Для исследования частотных характеристик релейного конца таких рельсовых цепей воспользуемся схемой, представленной на рис. 1. Подстроечное переменное сопротивление R_п предназначено для создания необходимого уровня напряжения срабатывания реле. На путевой элемент подавалось напряжение 10, 25, 60 В. На местный элемент реле ДСШ пода-валось напряжение 220 В частотой 50 Гц.

Рис. 1. Схема для исследования частотных характеристик приемного конца
рельсовых цепей с реле ДСШ-12

Исследования показали, что максимальный электромагнитный момент якорь-сектор реле ДСШ развивает при номинальном напряжении 10 В на его путевом элементе и частоте 50±10 Гц. При частотах от 10 до 40 Гц и от 60 до 90 Гц электромагнитный момент резко снижается, поэтому помехи данной частотой могут оказывать на реле только мешающее действие. С увеличением напряжения, подаваемого на путевой элемент реле ДСШ, электромагнитный момент якоря увеличивается прямо пропорционально, но область частот, в которой происходит срабатывание реле, остается той же. На рис. 2 представлена зависимость относительного момента развиваемого якорем реле ДСШ-12 при подаче на путевой элемент напряжения различного уровня (10, 25 и 60 В) от частоты. Относительный момент представляет собой отношение текущего значения электромагнит-ного момента к максимальному при напряже-нии на путевом элементе 10 В и частоте 50 Гц.

Рис. 2. Зависимость относительного момента якоря реле ДСШ-12 от напряжения
и частоты на путевом элементе

Аналогичные исследования были проведены для релейного конца фазочувствительной РЦ 25 Гц с реле ДСШ-13. Реле ДСШ-13 надежно защищено от основной гармоники 50 Гц. Само реле ДСШ представляет собой электромеханический фильтр и его якорь-сектор будет надежно притягиваться лишь в области частот 25±10 Гц при достижении помехами соответствующей величины по амплитуде и совпадении по фазе с сигнальным током. Такие помехи могут привести к опасному воздействию (ложному срабатыванию путевого реле). Также следует учитывать суммарное действие нескольких помех, поскольку при этом амплитуда мешающего напряжения увеличивается. На рис.3 приведена зависимость относительного момента от напряжения на путевом элементе (10, 20 и 50 В) и частоты. Под относительным моментом понимается отношение текущего момента к максимальному при частоте 25 Гц и номинальном напряжении на путевом элементе реле ДСШ 10 В.

Рис. 3. Зависимость относительного момента якоря-сектора реле ДСШ-13 от напряжения
на путевом элементе и частоты

Таким образом, для станционных фазочувствительных рельсовых цепей наиболее опасными являются помехи, совпадающие по частоте с сигнальной, т.е. 25±10 Гц для РЦ с реле ДСШ-13 и 50±10 Гц - с реле ДСШ-12. Станционные рельсовые цепи 25 Гц надежно защищены от основной гармоники 50 Гц защитным фильтром ЗБ-ДСШ. Опасное действие на путевой приемник может быть оказано лишь в том случае, когда на входе путевого и местного элемента появятся помехи одинаковые по частоте и достаточные по амплитуде для срабатывания реле ДСШ. Но это возможно при подаче несинусоидального напряжения на местный элемент и появлении помехи соответствующей по частоте на путевом элементе от обратного тягового тока.

На некодируемых участках пути и стрелочных секциях применяют однониточные рельсовые цепи с путевыми реле типа ДСШ-12 или АНВШ-2. Реле АНВШ-2 включают по схеме однополупериодного выпрямления и защищают от гармоник тягового тока с помощью блока-фильтра РЗФШ-2. Блоки РЗФШ-2 защищают однониточные РЦ от гармоник тягового постоянного тока. Схема, предназначенная для исследования частотных характеристик аппаратуры приемного конца рельсовой цепи, представлена на рис. 4.

Рис.4. Схема исследования частотной характеристики аппаратуры релейного конца однониточной
станционной РЦ 50Гц с реле АНВШ-2

При включении реле АНВШ-2 по однополупериодной схеме цепь оказывает гармоникам обратного тягового тока большее затухание в области частот 100…600 Гц, чем при двухполупериодном выпрямлении. Однако, мощность, потребляемая реле в этом случае, значительно больше. Сам защитный блок-фильтр РЗФШ-2 снижает гармоники обратного тягового тока, которые возникают при неисправности фильтров тяговых подстанций и кратны 300, 600, 900 Гц или 600, 1200, 1800 Гц, но полностью не исключает их. При этом гармоники тягового тока 50, 75, 100, 150 Гц, которые возникают при неисправностях в схеме выпрямления на тяговых подстанциях или в результате работы тяговых двигателей, могут оказывать как опасное, так и мешающее действие на работу данного вида рельсовых цепей.

Результаты исследования зависимости напряжения путевого реле АВНШ-2 однониточной рельсовой цепи от частоты при включении защитного блока РЗФШ-2 представлены на рис. 5. Из графика видно, что наиболее опасными являются гармоники 25…100 Гц. Особенно нежелательны помехи, совпадающие по частоте с сигнальной, 50 Гц. Такие гармоники могут оказывать опасное и мешающее действие на работу станционных рельсовых цепей. Также опасными окажутся ситуации при выходе из строя или обрыве цепи дросселя или конденсаторов. В таком случае реле оказывается под неблагоприятным воздействием достаточно широкого спектра частот и это приведет к его ложному срабатыванию.

Рис. 5. Зависимость напряжения на входе путевого реле АНВШ-2 станционных однониточных
рельсовых цепей частотой 50 Гц от частоты

Для определения влияния гармоник тягово-го тока на работу рельсовых цепей использова-лась схема замещения тяговой сети, в которой контактная сеть (к), включая контактный про-вод и несущий трос, представлена одним про-водом, рельсовая сеть вторым проводом (р), а в качестве обратного провода использовалась земля (з) [5]. Схема замещения тяговой сети представлена на рис.6, где

^{- напряжение контактная сеть - рельсы,}

^{- напряжение между рельсами и землей;}

^{- напряжение в контуре контактная сеть-земля ;}

^{- ток в контактной сети;}

^{- ток в рельсовой сети (обратный тяговый ток) в начале и в конце линии соответственно,}
Z_к-сопротивление контактной сети, с учетом сопротивления взаимоиндукции, Z_p-сопротивление рельсовой сети с учетом сопро-тивления взаимоиндукции в контуре рельсо-вые нити - контактная сеть,Z_из-сопротивление изоляции контактной сети, учитывающее заземление на рельсы различных железнодорожных конструкций, Z_б-сопротивление балласта, оказываемое току утечки от рельсовых нитей через шпалы, балласт и земляное полотно.

Рис.6. Схема замещения тяговой сети

Таким образом, с помощью предложенной математической модели может быть определено распределения напряжения и токов вдоль рельсовой и контактной сети для всех гармоник при различных значениях сопротивления изоляции. Данной моделью удобно пользоваться, когда источником гармоник в обратном тяговом токе являются выпрямители, сглаживающие фильтры тяговых подстанций постоянного тока или электродвигатели постоянного тока электровозов.

Для упрощения расчетов принимаем [5, 6]

Также для выполнения расчетов принимаем следующие значения сопротивлений рельсов:

- Ом/км (для рельсовой цепи с рельсами Р65),
балласта Z_б= 100 Ом·км, изоляции опор Z_из= 100 и Z_из= 1000 Ом·км.
Для контактной сети в Ом/км (контактная подвеска типа ПБСМ95+МФ-100)

.
Значение тока гармоники частотой 50 Гц при-нимаем 10 А, а частотой 100 Гц - 10 А. [8]. Для расчета берем только гармоники 50 и 100 Гц, поскольку именно эти помехи могут оказать опасное действие и привести к ложному срабатыванию путевого приемника рельсовых цепей. Также при моделировании будем полагать, что тяговая сеть однородная, сопротивление балласта по длине всей фидерной зоны одинаковое, питание участка одностороннее и на нем находится один поезд.

Ток утечки через изоляцию опор представляет собой линейную зависимость и описывается выражением (3)

Обратный тяговый ток в рельсах в районе тяговой подстанции определяется выражением (4)

Потенциал рельсов возле тяговой подстанции (6)

Для участка линии длиной 10 км распределение гармоники тока частотой 50 и 100 Гц в контактной сети вначале вдоль фидерной зоны имеет вид (рис.7). Чем дальше электровоз находиться от тяговой подстанции, тем больший ток он потребляет. Это связано с увеличением потерь электрической энергии в контактной сети. С увеличением расстояния полное сопротивление тяговой сети увеличивается и, таким образом, от подстанции будет потребляться больший ток. С увеличением частоты наблюдается увеличение тока в контактной сети.

Зависимость величины тока утечки частотой 50 и 100 Гц через изоляцию опор контактной сети показана на рис. 8 для различных сопротивлений балласта. С увеличением расстояния между электровозом и тяговой подстанцией суммарный ток утечки через изоляцию опор контактной сети будет больше. С увеличением частоты величина тока утечки возрастает.

На рис. 9, 10 показано изменение потенциала рельсов в начале и в конце фидерной зоны в зависимости от расстояния между электровозом и тяговой подстанцией, которая находиться на 0 км. Нелинейность характеристики (рис. 9) определяется удельным сопротивлением балласта, которое с увеличением расстояния уменьшается. О зависимости потенциала рельса в начале линии (возле тяговой подстанции) можно сказать следующее. Первую четверть длины питающей зоны наблюдается снижение потенциала рельсов, поскольку падение напряжения в рельсовой линии незначительно ввиду малости сопротивления рельсов. Далее по мере удаления от тяговой подстанции на втором участке фидерной зоны потенциал рельсов изменяется менее интенсивно и имеет практически линей-ных характер.

Рис. 7. Распределение тока контактной сети по дли-не фидерной зоны

Рис. 8. Распределение тока утечки через изоляцию опор контактной сети

Рис. 9. Потенциал рельса в конце линии для тока величиной 10 А

Рис.10. Потенциал рельса в начале линии

Таким образом, определение распределения этих гармоник по длине участка показал, что с увеличением расстояния между электровозом и тяговой подстанцией суммарный ток утечки через изоляцию опор контактной сети будет увеличиваться. С увеличением частоты гармоники величина тока утечки возрастает. С удалением от источника электропитания и с увеличением частоты величина обратного тягового тока возрастает. Потенциал рельса в точке отсоса обратного тягового тока при удалении поезда на расстояние равное четверти длины фидерной зоны будет уменьшаться ввиду малости сопротивления рельсовой сети. При дальнейшем следовании поезда по участку потенциал рельсов изменяется менее интенсивно и имеет практически линейных характер, слегка увеличиваясь. Таким образом, в наихудших условиях оказываются рельсовые цепи, находящиеся в районе тяговой подстанции.

Выполнено исследование частотных характеристик релейных концов перегонных и станционных рельсовых цепей, которые используются на участках с электротягой постоянного и переменного тока. Выявлены наиболее опасные помехи частотой 50, 75 и 100 Гц для путевого реле перегонной рельсовой цепи 50 Гц, которые могут привести к его ложному срабатыванию. Предложена математическая модель, которая позволяет оценивать распределение гармоник тягового тока по длине фидерной зоны. Определено, что в наихудших условиях оказываются рельсовые цепи, расположенные в районе тяговых подстанций.