РОСЖЕЛДОР
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения»
(РГУПС)
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Методические указания
к учебно-исследовательским лабораторным работам
Ростов-на-Дону
2006
УДК.624.331
Семенов, Ю. Г.
Электромагнитная совместимость устройств электроснабжения: Методические указания к учебно-исследовательским лабораторным работам /; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2006. – 19 с.: ил. Библиогр.: 4 назв.
Методические указания к учебно-исследовательским лабораторным работам являются частью учебно-исследовательского обучающего комплекса по дисциплине «Электромагнитная совместимость устройств электроснабжения». Указаниями установлены дидактически обоснованные методика и порядок проведения лабораторных работ, основанных на компьютерном моделировании в редакторе «Microsoft Excel» основных видов электромагнитных и гальванических влияний участка железной дороги на смежные устройства. Указания содержат базовые расчетные схемы и алгоритмы, предлагаемые студенту для изучения в качестве обязательных вопросов, варианты усложненных алгоритмов для проведения исследований и для индивидуальных заданий. Предназначены для студентов специальности 101801/190401 «Электроснабжение железных дорог».
Рецензент канд. техн. наук, доцент (РГУПС)
Учебное издание
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Методические указания к учебно-исследовательским лабораторным работам
Редактор
Техническое редактирование и корректура
Подписано к печати 28.12.06. Формат 60х84/16.
Бумага газетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,16.
Уч.-изд. л.1,11. Тираж 60 экз. Изд. № 13. Заказ №
Ростовский государственный университет путей сообщения.
Ризография РГУПС.
Адрес университета: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2
© Ростовский государственный университет путей сообщения, 2006
Оглавление
Введение
Лабораторная работа № 1. Исследование электрических влияний тяговой сети переменного тока на воздушную однопроводную линию
Лабораторная работа № 2. Исследование электрических влияний тяговой сети переменного тока на воздушную линию со сложной конфигурацией трассы
Лабораторная работа № 3. Исследование магнитных влияний тяговой сети переменного тока на воздушную линию в вынужденном режиме работы тяговой сети
Лабораторная работа № 4. Исследование магнитных влияний тяговой сети переменного тока на воздушную линию в режиме короткого замыкания в тяговой сети
Лабораторная работа № 5. Гармонический состав тягового тока и форма наведенного напряжения в проводе линии
Лабораторная работа № 6. Потенциалы, токи в рельсовой цепи и токи в земле на участках постоянного тока
Библиографический список
Введение
Учебно-исследовательский обучающий комплекс по дисциплине «Электромагнитная совместимость устройств электроснабжения» содержит все виды учебных занятий. Его особенностью является комплексный подход к обучению студентов, состоящий в том, что частные задачи, изучаемые и решаемые студентом в процессе обучения, объединены единой технической задачей и связаны единым заданием на курсовую работу. Комплексное задание рассчитано на один семестр обучения. Элементы курсового проектирования в обязательном порядке содержат индивидуальные задания с элементами исследования, выполнить которые студент может в процессе прохождения практических и лабораторных работ по дисциплине. Таким образом, некоторые исходные данные для курсовой работы, а также результаты учебных исследований студент получает на практических, лабораторных работах и при самостоятельной подготовке.
Лабораторная работа № 1
Исследование электрических влияний тяговой сети переменного тока
на воздушную однопроводную линию
Содержание и порядок проведения работы
Лабораторная работа рассчитана на 2 часа аудиторных занятий в компьютерном классе.
Предлагается начать исследование электрических влияний тяговой сети переменного тока 27,5 кВ с изучения причин их возникновения /1/.
1. Исследования следует начать с простейшей расчетной схемы взаимного расположения влияющих и подверженных влиянию проводов, представленной на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Расчетная схема для исследования электрических влияний
участка тяговой сети переменного тока на одиночный провод изолированной
от земли воздушной линии
2. Требуется самостоятельно в редакторе «Microsoft Excel» /2/ программно реализовать следующий алгоритм расчета электрических влияний:
, (1.1)
где Uк – напряжение контактной сети, Uк=27500 В; bк – высота подвеса эквивалента контактной сети, можно принять bк=6,93 м; ρк –радиус эквивалента контактной подвески, м.
При проведении расчетов по формуле (1.1) можно принять в соответствии с /2/: для однопутных участков ln(2bк/ρк)=5; для участков с количеством путей два и более ln(2bк/ρк)=3,3.
Геометрические размеры задаются формулами:
; 
. (1.2)
3. Требуется провести исследования зависимости напряжения электрических влияний по зависимости (1.1) от следующих параметров:
- ширины сближения провода линии с контактной сетью;
- высоты подвеса провода линии;
- количества контактных подвесок путей.
4. Определить минимально допустимую величину ширины параллельного сближения провода линии с контактной сетью, при которой напряжение электрических влияний не превышает допустимых значений.
Исходные данные для исследований
1. Значение ширины сближения провода линии а изменяется в пределах от 5 до 200 м.
2. Значение высоты подвеса провода линии bл изменяется в пределах от 3 до 12 м.
3. Исследования провести для однопутного и двухпутного участков.
Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе следует предоставить:
1. Название и формулировку цели работы.
2. Расчетную схему и алгоритм проведения исследований.
3. Поле программы в редакторе «Microsoft Excel» в электронном виде.
4. Построенные по результатам исследований зависимости Uэ = f(a) и Uэ = f(bл) в виде распечатки и в электронном виде.
5. Заключение.
Лабораторная работа № 2
Исследование электрических влияний тяговой сети переменного тока
на воздушную линию со сложной конфигурацией трассы
Содержание и порядок проведения работы
Лабораторная работа рассчитана на 4 часа аудиторных занятий в компьютерном классе.
1. Требуется исследовать электрические влияния тяговой сети переменного тока 27,5 кВ на линию сложной конфигурации. Взаимное расположение линии и тяговой сети показано на рисунке 2.1.
2. Для заданной конфигурации трассы линии составить расчетную схему замещения, пример фрагмента которой приведен на рисунке 2.2.
Рисунок 2.1 – Взаимное расположение провода линии и контактной сети
Рисунок 2.2 – Фрагмент расчетной схемы замещения
3. В редакторе «Microsoft Excel» составить программу расчета основных геометрических параметров схемы замещения по алгоритмам:
- количество разбиений i-го участка линии
; (2.1)
- средняя ширина сближения j-го отрезка для i-го участка линии
. (2.2)
4. В редакторе «Microsoft Excel» составить программу расчета емкостных связей между отрезками каждого участка линии и землей Сijо и между отрезками каждого участка линии и контактной сетью Сijкл, используя алгоритмы:
, (2.3)
где ε – диэлектрическая проницаемость среды, ε=8,85*10-12 Ф/м; bл – высота подвеса провода линии, м; ρл – радиус провода линии, м;
, (2.4)
где αijк – собственный потенциальный коэффициент контактной сети, 1/Ф; αijл – собственный потенциальный коэффициент j-го отрезка i-го участка линии, 1/Ф; αijкл – взаимный потенциальный коэффициент j-го отрезка i-го участка линии, 1/Ф;
; (2.5)
; (2.6)
. (2.7)
5. На основании проведенных расчетов емкостных связей с помощью программы «EWB» составить электрическую схему замещения участка контактной сети и линии, пример фрагмента которой приведен на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Фрагмент электрической схемы замещения участка контактной сети и линии
При составлении электрической схемы замещения следует учесть, что полная емкость провода линии относительно земли и окружающих заземленных проводников (контактная сеть подсоединена к земле через низкоомный источник напряжения) определится как
. (2.8)
6. Провести следующие исследования:
- определить зависимость напряжения электрических влияний в проводе линии и построить зависимость Uэ=f(x), где x – координата длины линии;
- определить зависимость электрических влияний от геометрической конфигурации линии по сравнению с линией с параллельным сближением;
- определить критическую трассу линии с заданной конфигурацией по условию нормирования электрических влияний.
Исходные данные для исследований
1. Заданные первоначально значения ширины сближения провода линии аi принять в соответствии с вариантом задание на курсовой проект /3/.
2. Значение высоты подвеса провода линии bл принять в соответствии с вариантом задания на курсовую работу /3/.
3. Конфигурация трассы задается преподавателем.
4. Исследования провести для однопутного участка тяговой сети.
Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе следует предоставить:
1. Название и формулировку цели работы.
2. Расчетную схему расположения и алгоритм проведения исследований.
3. Поле программы в редакторе «Microsoft Excel» и модель электрической схемы замещения по программе «EWB» в виде распечаток и в электронном виде.
4. Построенные по результатам исследований зависимости Uэ = f(x) для заданной конфигурации линии и для найденной критической трассы линии в виде распечатки и в электронном виде.
5. Заключение.
Лабораторная работа № 3
Исследование магнитных влияний тяговой сети переменного тока
на воздушную линию в вынужденном режиме работы тяговой сети
Содержание и порядок проведения работы
Лабораторная работа рассчитана на 4 часа аудиторных занятий в компьютерном классе.
Предлагается начать исследование магнитных влияний тяговой сети переменного тока 27,5 кВ с изучения причин их возникновения /1/.
1. Исследования следует провести для вынужденного режима работы тяговой сети при расчетной схеме взаимного расположения проводов, представленной на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Расположение тяговой сети однопутного участка
и линии продольного электроснабжения
2. В редакторе «Microsoft Excel» самостоятельно программируется следующий алгоритм определения магнитных влияний для вынужденного режима:
(3.1)
где kф – коэффициент формы тягового тока, принимается равным 1,15; ω – угловая частота первой гармоники тягового тока, рад/с; Iэкв – эквивалентный влияющий ток, А; Мi – модуль коэффициента взаимной индукции i-го участка сближения, Гн/км; li – длина i-го участка сближения, км; λ – коэффициент экранирующего действия рельсовой цепи.
Значение эквивалентного влияющего тока может быть задано преподавателем или взято на основании расчетов из задания на курсовую работу.
Модуль коэффициента взаимной индукции i-го участка сближения задается алгоритмом:
, (3.2)
где f – частота тягового тока, Гц; σ – проводимость земли под линией, См/м.
Среднегеометрическая ширина сближения аiср задается формулой
. (3.3)
Коэффициент экранирующего действия рельсовой цепи можно задать следующими аппроксимирующими зависимостями:
если 0,001≤σ<0,01, то λ=0,4495+0,505·σ;
если 0,01≤σ<0,05, то λ=0,4875+1,25·σ;
если 0,05≤σ<0,1, то λ=0,25+6·σ. (3.4)
3. Требуется провести исследования зависимости напряжения магнитных влияний по зависимости (3.1) от следующих параметров:
® ширины сближения линии с контактной сетью;
® проводимости земли;
® частоты.
4. Определить критическую трассу линии с контактной сетью, при которой напряжение магнитных влияний не превышает допустимых значений.
Исходные данные для исследований
1. Значение ширины сближения каждого участка линии менять в пределах от 5 до 200 м при условии параллельного переноса линии.
2. Данные ширины и длины сближения отдельных участков можно взять из задания на курсовую работу /3/.
Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе следует предоставить:
1. Название и формулировку цели работы.
2. Расчетную схему и алгоритм проведения исследований.
3. Поле программы в редакторе «Microsoft Excel» в электронном виде.
4. Построенные по результатам исследований зависимости Uмв = f(a), Uмв = f(ω) и Uмв = f(σ) в виде распечатки и в электронном виде.
5. Конфигурацию критической трассы линии.
6. Заключение.
Лабораторная работа № 4
Исследование магнитных влияний тяговой сети переменного тока
на воздушную линию в режиме короткого замыкания в тяговой сети
Содержание и порядок проведения работы
Лабораторная работа рассчитана на 4 часа аудиторных занятий в компьютерном классе.
1. Исследования следует провести для режима короткого замыкания в тяговой сети при расчетной схеме взаимного расположения проводов, представленной на рисунке 4.1.
2. В редакторе «Microsoft Excel» самостоятельно программируется следующий алгоритм определения магнитных влияний для режима короткого замыкания:
(4.1)
где Iкз – ток короткого замыкания в тяговой сети, А; М – модуль коэффициента взаимной индукции, Гн/км; lл – длина сближения линии и тяговой сети, км.
Рисунок 4.1 – Взаимное расположение тяговой сети и воздушной линии продольного электроснабжения
Ток короткого замыкания программируется формулой:
- для трехфазных трансформаторов
,(4.2)
- для однофазных трансформаторов
,(4.3)
где Uн – номинальное напряжение тяговой сети, В; Xc – приведенное к номинальному напряжению сопротивление фазы энергосистемы, Ом; Xтр – приведенное к номинальному напряжению сопротивление фазы трансформатора, Ом; xтс, rтс – соответственно индуктивное и активное погонные сопротивления тяговой сети, Ом/км /4/; lкз – расстояние до точки короткого замыкания, км.
Сопротивление фазы энергосистемы предварительно рассчитать по формуле:
, (4.4)
где Sкз – мощность короткого замыкания энергосистемы, тыс. МВА.
Сопротивление фазы трансформатора рассчитывается предварительно по соотношению:
, (4.5)
где Sтр – мощность тягового трансформатора, МВА.
Следует ввести в программу расчет длины сближения lл следующим образом:
, (4.6)
где γ – коэффициент распространения волны наведенных напряжений вдоль линии, 1/км.
3. Требуется провести исследования зависимости напряжения магнитных влияний по зависимости (4.1) от удаления точки короткого замыкания.
Исходные данные для исследований
1. Значение ширины сближения задается преподавателем или из расчетов в курсовой работе.
2. Мощности короткого замыкания системы, трансформатора, сопротивления тяговой сети, значения длин трассы, ширины сближения и коэффициенты распространения взять из задания на курсовую работу /3/.
3. Расстояние до точки короткого замыкания следует изменять от 0 до 20 км с шагом 0,5 км.
Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе следует предоставить:
1. Название и формулировку цели работы.
2. Расчетную схему и алгоритм проведения исследований.
3. Поле программы в редакторе «Microsoft Excel» в электронном виде.
4. Построенную по результатам исследований зависимость Uмкз = f(lкз) в виде распечатки и в электронном виде.
5. Заключение.
Лабораторная работа № 5
Гармонический состав тягового тока и форма наведенного напряжения в проводе линии
Содержание и порядок проведения работы
Лабораторная работа рассчитана на 4 часа аудиторных занятий в компьютерном классе.
1. Изучение гармонического состава следует провести для заданной полуволны тягового тока. Предварительно, следует изучить основы данного вопроса, изложенные в /1/. На основании расчета гармоник тягового тока получить форму кривой наведенного в проводе линии напряжения.
2. Предварительно для получения базы данных для расчета заданную графически полуволну тягового тока следует разбить по оси абсцисс на 12 равных интервалов, каждая по 15 эл. град., как показано на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 – Исходная полуволна тягового тока
Поочередно во всех интервалах снимаются значения ij тока полуволны, соответствующие середине каждого интервала αj (j – номер интервала).
В результате должно быть получено 12 значений токов, что позволит рассчитать первые шесть амплитуд токов гармонических составляющих с кратностью по частоте k=1, 3, 5, 7, 9, 11.
В редакторе «Microsoft Excel» самостоятельно программируется следующий алгоритм определения гармонического состава тягового тока.
Косинусная составляющая тока k-й гармоники
, (5.1)
где n – количество интервалов разбиения полуволны; k – кратность гармоники по частоте относительно основной (первой) гармоники тока.
Синусная составляющая тока k-й гармоники
, (5.2)
Определяется ток k-й гармоники
. (5.3)
Определяется фаза k-й гармоники
. (5.5)
Производится графическое построение мгновенных значений полученных гармоник в пределах изменения 0≤α≤180 эл. град. с рекомендуемым шагом в 1 эл. град., используя формулу:
, (5.6)
а также результирующей кривой в виде мгновенных значений суммы гармоник токов
. (5.7)
Расчет амплитуд наведенных в проводе напряжений магнитных влияний Uk произвести по соотношению (3.1) с использованием программы, составленной при выполнении работы № 3.
Производится графическое построение мгновенных значений полученных гармоник напряжений в проводе линии в пределах изменения 0≤α≤180 эл. град. с рекомендуемым шагом в 1 эл. град., используя формулу:
, (5.8)
а также результирующей кривой в виде мгновенных значений суммы гармоник напряжений
. (5.9)
Исходные данные для расчетов
1. Исходную полуволну тягового тока взять из задания на курсовую работу.
2. Данные по взаимному расположению тяговой сети и провода линии должны соответствовать данным курсовой работы.
Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе следует предоставить:
1. Название и формулировку цели работы.
2. Расчетную схему взаимного расположения тяговой сети и провода линии, алгоритм проведения исследований.
3. Поле программы в редакторе «Microsoft Excel» в электронном виде.
4. Построенные по результатам расчетов графические зависимости (5.6)…(5.9) в виде распечатки и в электронном виде.
5. Заключение.
Лабораторная работа № 6
Потенциалы, токи в рельсовой цепи и токи в земле
на участках постоянного тока
Содержание и порядок проведения работы
Лабораторная работа рассчитана на 4 часа аудиторных занятий в компьютерном классе.
1. Перед началом работы следует изучить данный вопрос с использованием /1/. Исследование потенциалов и токов в рельсовой цепи, токов в рельсах следует провести для заданной схемы замещения рельсовой цепи участка постоянного тока, показанной на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 – Схема замещения рельсовой цепи, подстанция и нагрузка
2. В редакторе «Microsoft Excel» самостоятельно программируется следующий алгоритм определения потенциалов, токов в рельсовой цепи и токов в земле для одной нагрузки при бесконечно удаленной подстанции:
– потенциал рельсовой цепи на расстоянии x влево и вправо от нагрузки
; (6.1)
где 
, Ом; 
, 1/км; rр, rп – соответственно сопротивления рельсовой цепи и переходное рельсовой цепи на землю, соответственно Ом/км и Ом·км;
– ток рельсовой цепи на расстоянии x влево и вправо от нагрузки
; (6.2)
– ток в земле на расстоянии x влево и вправо от нагрузки
. (6.3)
Требуется провести исследования при заданном типе рельса:
потенциала, тока в рельсовой цепи и тока в земле от координаты x и построить зависимости jрx = f(x), Iрx = f(x), Iзx=f(x) для отдельной нагрузки;
получить зависимости jрx = f(rп), Iрx = f(rп), Iзx = f(rп), т. е. от переходного сопротивления рельсовой цепи на землю для отдельной нагрузки;
потенциала, тока в рельсовой цепи и тока в земле от координаты x и построить зависимости jрx = f(x), Iрx = f(x), Iзx = f(x) для одной нагрузки и подстанции при различных расстояниях от подстанции до нагрузки.
Исходные данные для исследований и рекомендации
1. Тип рельса и ток нагрузки задается преподавателем.
2. Для получения зависимостей jрx=f(x), Iрx=f(x), Iзx=f(x) для одной нагрузки и подстанции воспользоваться методом наложения. За точку x=0 принимать точки приложения отдельных нагрузок.
3. Шаг по координате x принять равным 1 км. Расстояние между нагрузкой и подстанцией менять в пределах от 0 до 10 км.
4. Значения переходных сопротивлений менять в пределах от 0,5 до 5 Ом·км.
Содержание отчета
В отчете по лабораторной работе следует предоставить:
1. Название и формулировку цели работы.
2. Расчетную схему и алгоритм проведения исследований.
3. Поле программы в редакторе «Microsoft Excel» в электронном виде.
4. Построенные по результатам исследований зависимости jрx = f(x), Iрx = f(x), Iзx = f(x) и jрx = f(rп), Iрx = f(rп), Iзx = f(rп) в виде распечатки и в электронном виде.
5. Заключение.
Библиографический список
1. Бадер, М. П. Электромагнитная совместимость электрических железных дорог: учебник для ВУЗов железнодорожного транспорта /. – М.: Транспорт, 2001. – 638 с.
2. Левин, А. Самоучитель работы на компьютере /А. Левин. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Нолидж, 1997. – 480 с.
3. Семенов, Ю. Г. Электромагнитная совместимость на электрических железных дорогах: методические указания к комплексному курсовому проекту / , ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2000. – 24 с.
4. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / . – М.: Транспорт, 1982 – 528 с.
