Режимы напряжения в системе электроснабжения

Уровни напряжения на токоприемниках подвижного состава постоянно изменяются, что связано с колебаниями токов и чисел поездов, находящихся на секции. Источники питания в виде первичной сети и тяговых подстанций также имеют колебания напряжения на зажимах из-за постоянного изменения режимов работы потребителей. В соответствии с ГОСТ 6962–75 [7] для транспортных сетей постоянного тока показателями качества электроэнергии являются отклонения и колебания напряжения на токоприемниках потребителей. Применительно к электрической тяге под отклонением следует понимать изменение напряжения такой длительности, при котором изменяется скорость движения поезда. Под колебаниями понимают изменения напряжений, которые по длительности действия не вызывают изменений в режимах движения.

Режим напряжения на токоприемнике поезда характеризуют следующими величинами, определяемыми для секции при расчетных условиях и размерах движения:

• • среднее напряжение за полное время движения (У_до и время движения под током (в режиме тяги) U_m
• • наименьшее напряжение в наиболее удаленной от фидера точке секции при движении под током U,"i"

Разиину между номинальным напряжением на шинах подстанции и соответствующими напряжениями на токоприемнике называют потерями напряжения в тяговой сети.

Таким образом, потери напряжения за полное время движения будут AU =U" -?/_д0, за время движения под током — ДU_r =U_H -U._M и максимальные — AU_rrax = U_H -(7_Tmin. Величины Д(J_T и Д[7_imx нормируют. Так, в соответствии с нормами [1, 2, 3], для трамваев и троллейбусов ДU_r <15%, т. е. при 11ц = 600 В, AU, < 90 В. В вынужденных режимах нормируют Д (У_1ШХ, которое должно быть не более 170 В.

Рассмотрим влияние уровней напряжения на токоприемнике на показатели работы подвижного состава (ЭПС). К числу таких показателей относят скорость V, силу тяги F, удельный расход энергии, температуру обмоток двигателей и др. Для ЭПС с тяговыми двигателями последовательного возбуждения скорость и сила тяги соответственно.

где U, /, R, Ф, С, С — напряжение на зажимах, ток, омическое сопротивление, магнитный поток и конструктивные параметры двигателей.

Поскольку U «IR, то можно считать, что скорость движения пропорциональна напряжению на зажимах, т. е. J. Сила тяги.

/ ^У2 /^и2

от напряжения не зависит. Характер протекания процессов при изменениях напряжения на токоприемнике можно рассмогреть на примере графиков У (1) и F (I) (рис. 4.5), показанных для двух уровней t/,>[/₂.

Рис. 4.5. Графики V (I), F (I) в связи с напряжением на токоприемнике Пусть поезд движется в установившемся режиме при параметрах V_x, /,, F, соответствующих зависимостям при U_x. При снижении напряжения до U₂ поезд, обладая инерцией, будет двигаться со скоростью Fj, но ток двигателей снизится до /₂, уменьшится также до F₂ сила тяги. Движение поезда будет замедляться по зависимости F (/), соответствующей (J₂, до достижения тока 1_Х, и силы тяги F, но уже при меньшей скорости V₂. В случае повышения напряжения вновь до U_x скорость V₂ в связи с инерцией поезда сохранится, но ток двигателей и сила тяги возрастут до /₃ и F₃. Движение поезда ускорится по характеристике F (/), соответствующей U_l, до достижения параметров F, I_l9F_x.

Кратковременное повышение напряжения (наброс) приводит к броску тока в двигателях и резкому увеличению силы тяги, что вызывает толчки вагонов, буксование, а также обрывы сцепных приборов и круговой огонь по коллектору двигателей. При набросе напряжения нарастание магнитного потока в двигателях тормозится вихревыми токами, что приводит к броскам тока, большим в сравнении с устано;

вившимся режимом. В целом изменение скорости ЭПС протекает медленно, а интервалы между колебаниями напряжения невелики. Поэтому двигатели постоянно работают в неустановившемся режиме. Сопротивление системы электроснабжения смягчает воздействие колебаний напряжения, так как изменениям тока соответствуют изменения потерь напряжения.

Длительное снижение напряжения в тяговой сети (U_TC) приводит к снижению скоростей движения, увеличению поездных токов, а следовательно, и росту удельных расходов энергии. Это связано с увеличением потерь мощности в системе из-за повышения поездных токов и времени их протекания, снижение КПД двигателей и рост расходов энергии на собственные нужды ЭПС. При снижении U_rc происходит более интенсивный нагрев тяговых двигателей из-за увеличения их токов и ухудшения условий охлаждения.

В случае малых межпоездных шггервалов при снижении напряжения на токоприемниках поездов могут иметь место явления «потери управляемости» и «опрокидывания тяговой сети». Суть их состоит в том, что с увеличением поездных токов возрастают потери напряжения в тяговой сети. Эти потери компенсируют рост скорости, достигаемый увеличением тока. Дополнительное увеличение тока приведет к еще большим потерям напряжения, которые вызовут снижение скорости. Таким образом, управление поездом в части регулирования скорости будет потеряно. Процесс может развиваться до полной остановки поездов, когда напряжение на токоприемнике станет равным потерям на омическом сопротивлении двигателей. Это явление называют опрокидыванием тяговой сети. Сеть в данном случае имеет критическое сопротивление, падение напряжения на котором U_H=IR. На практике явление опрокидывания сети не наблюдается, так как применяются меры по регулированию числа поездов на секции, а сеть выполняют с сопротивлениями, меньшими критических.

Кроме режимов напряжения на токоприемниках поездов, важное значение имеют потенциальные условия на рельсовых сетях. Обратные токи вызывают падение напряжения в рельсовых сетях, создающих разность потенциалов рельс-земля. Величина стекающих с рельсов в груш токов в общем случае пропорциональна этим потенциалам. Токи утечки с рельсов, протекая в земле, попадают на металлические искусственные сооружения и в местах выхода с них вызывают интенсивную элсктрокоррозию материала. В практике для снижения влияния рельсовых сетей падение напряжения на них нормируют. Например, для трамвая такие нормы устанавливают [6] в связи с конструкцией рельсовых оснований и числом месяцев в году с температурой выше — 5 °C.