Mạng cao áp và trạm điện kéo - Pgs.Ts.Đàm Quốc Trụ phần 7 ppsx

MCA&T§K • 103 Hằng số nhiệt thời gian phát nóng T là tỷ số nhiệt lượng riêng (có thứ nguyên. Jun/Kg.K) ký hiệu c của vật thể so với hệ số truyền nhiệt riêng (W/Kg.K) ký hiệu B.Từ ñó có công thức: T = c/B. (5–1b) Sau khi ñặt vào biểu thức 5–1a giá trị t = 3T và t = 4T sẽ xác ñịnh quá phát nóng 3 τ và 4 τ sau thời gian tương ứng: ∞ = ττ 9502.0 3 , ∞ = ττ 9817.0 4 , có nghĩa kết qủa tính toán quá nhiệt sau thời gian 3T khác quá nhiệt ổn ñịnh ∞ τ ñến 5%, còn sau thời gian 4T – 2% là hoàn toàn chấp nhận ñược ñể tính toán nhiệt gần ñúng. Dòng ñiện cực ñại của dây cung cấp, tổ chỉnh lưu hay là của một phần tử nào ñó khác của hệ thống cung cấp ñiện thường thấy xuất hiện trong thời gian chuyển ñộng cực kỳ căng thẳng do hậu quả tổng cộng ngẫu nhiên các dòng ñiện trên các ñoàn tàu riêng lẻ. Nó có thể nhận ñược bằng việc tổng cộng những dòng ñiện khởi ñộng của số lượng ñoàn tàu lớn nhất có thể cũng ñang ở trên ñoạn khảo sát của ñường dây tiếp xúc. Như tính toán và kinh nghiệm thực tế chỉ ra rằng với 5–6 toa ở trên ñoạn cung cấp khởi ñộng cùng một lúc và cộng tất cả các dòng ñiện khởi ñộng thư ờng xẩy ra 1 lần trong một tháng. Liên quan với những ñiểm vừa nêu trên, cụm từ “dòng ñiện cực ñại” phải hiểu không chỉ ñơn thuần một cách vật lý cực ñại dòng ñiện ñường dây cung cấp hay là của trạm ñiện kéo I max , mà là trị số tính toán nào ñó – cực ñại tính toán I ttmax . Trị số cực ñại tính toán sử dụng ñể xác ñịnh dòng ñiện ñặt cho máy ngắt và ñánh giá ñộ lớn dòng quá tải của các phần tử riêng lẻ,cũng như của cả hệ thống cung cấp ñiện. Trên hình 5–7 là sự biến ñổi theo thời gian của dòng ñiện dây cung cấp i d sau khoảng thời gian tính toán T với trị số trung bình của dòng ñiện trên ñường dây I d , trị số cực ñại I max và trị số cực ñại tính toán I ttmax . Dòng ñiện hiệu dụng xác ñịnh ñộ phát nóng của phần tử dây dẫn lưới ñiện và ñặc trưng mức ñộ dòng ñiện ñang truyền tải năng lượng trên ñường dây. Dòng ñiện trung bình của ñường dây và của trạm ñiện kéo có thể rất khác nhau vì sự thay ñổi lực cản chuyển ñộng, sự khác nhau của thành phần ñoàn tàu,vì những ñặc ñiểm riêng ñiều khiển máy của từng người lái tàu và một số yếu tố khác nữa. Dòng ñiện trung bình trong ñường dây phụ thuộc vào mức ñiện áp trong lưới ñiện kéo. Khi ñiện áp giảm, tốc ñộ chuyển ñộng của ñoàn tàu giảm, nhưng do lái tàu cố gắng thực hiện lịch chạy tàu nên lái tàu chuyển ñến vị trí làm giảm từ trường của ñộng cơ ñiện kéo dẫn ñến tăng dòng ñiện trung bình nhận từ lưới tiếp xúc. Trong trường hợp này xuất hiện sự tác dụng tương hỗ của ñoàn tàu chuyển ñộng như một tải phi tuyến với lưới ñiện kéo. Quan hệ của các dòng ñiện tính toán cực ñại và hiệu dụng với trị số trung bình ñược xác ñịnh bởi các hệ số cực ñại k max và trị số hiệu quả k hq . Ví dụ ñối với ñường dây A các hệ số bằng: k hq = I tdA /I A , k max = I ttmax /I A . Khi chọn các phần tử thiết bị của hệ thống cung cấp ñiện cần thiết phải xác ñịnh những trị số lớn nhất của các dòng ñiện trung bình và tác dụng. ðể thực hiện ñược ñiều ñó phải chọn khoảng thời gian tính toán sao cho:ñể trong giới hạn của nó trị số trên ñược là lớn nhất có thể. Thực hiện tính toán nhiệt cho kết quả sẽ khác biệt trên cùng một 104 • MCA& TðK biểu ñồ biến ñổi dòng ñiện, hằng số thời gian phát nóng T có trị số càng lớn khi ñộ lớn dòng ñiện tác dụng và dòng ñiện trung bình càng nhỏ với cùng một ñồ thị phụ tải. Ví dụ, ñối với dây dẫn mác M φ –100 khi tốc ñộ không khí làm mát 1M/giây, hệ truyền nhiệt riêng B = 1,65 W/(Kg.K), tỷ nhiệt riêng của ñồng c = 400 Jun/(Kg.K), có nghĩa T = 400/165 = 242 giây tức bằng 4 phút. Khoảng thời gian tính toán ñể xác ñịnh ñốt nóng ổn ñịnh với ñộ chính xác là 2% thành 4T = 16 phút. ðối với các loại dây dẫn khác trị số T gần bằng trị số tính toán. Khi phân tích các ñường cong dòng ñiện phụ tải người ta quan tâm không chỉ trị số tuyệt ñối của các ñỉnh dòng ñiện mà còn cả ñộ dài dòng ñiện tăng hơn mức xác ñịnh. ðối với chỉnh lưu các trạm ñiện kéo tuỳ thuộc vào loại máy biến thế chỉ ñịnh những trị số quá tải. Ví dụ, xe ñiện bánh sắt và xe ñiện bánh hơi liên quan ñến cấp 7 quá tải và ứng với nó phụ tải vượt 25% phụ tải ñịnh mức và không kéo dài quá 15 phút với chu trình 1 lần trong 2 giờ; quá tải 50% – 2 phút, 1 lần trong 1 giờ; quá tải 100% – 2 giây, 1 lần trong 20 giây. Khi ñó dòng ñiện hiệu dụng sau thời gian trung bình (30 phút bất kỳ) không ñược vượt quá dòng ñiện ñịnh mức của chỉnh lưu, còn nếu trong quá trình 30 phút ñó diễn ra quá tải 100% thì thời gian trung bình cần phải giảm xuống ñến 5 phút. Cho phép sử dụng các quá tải khác nhau mà trị số của chúng có thể phù hợp với hộ tiêu thụ với các ñiều kiện nhất ñịnh của quá trình khai thác. Các dòng ñiện ngắn mạch chiếm vị trí quan trọng ñặc biệt trong nhóm các phụ tải dòng. Trong trường hợp ngắn mạch gần trạm ñiện kéo, trị số xác lập của dòng ñiện ngắn mạch tăng lên cực kỳ lớn và không cho phép làm việc ñối với thiết bị theo tác dụng nhiệt và ñộng học. Khi ngắn mạch ở các ñiểm khác của lưới ñiện kéo nằm xa trạm ñiện kéo không ít lần xuất hiện các dòng ñiện có trị số lớn hơn hoặc nhỏ hơn dòng ñiện ñặt của máy ngắt tự ñộng. ðể ngắt những dòng ñiện như thế người ta sử dụng những phương pháp bảo vệ ñặc hiệu. 5.2.2. ðIỆN ÁP VÀ TỔN THẤT ðIỆN ÁP Những chỉ tiêu ñiện áp trong mạng ñiện kéo tạo thành nhóm những ñại lượng ñiện không kém phần quan trọng. ðiện áp trên cần tiếp ñiện của ñoàn tàu chạy ñiện thay ñổi trong phạm vi rộng, cũng tương tự như vậy làm thay ñổi dòng ñiện tiêu thụ bởi ñoàn tàu. Khi sử dụng hãm tái sinh,ñiện áp trên cần tiếp xúc của ñoàn tàu hãm tái sinh có thể vượt quá ñiện áp không tải của trạm ñiện kéo. Khi phân tích tính chất của ñiện áp thay ñổi trên cần tiếp ñiện,chú ý phân biệt sự thay ñổi (biến ñổi) ngắn hạn lặp lại (dao thông) và sự thay ñổi dài hạn (ñộ lệch ñiện áp). Sự thay ñổi ngắn hạn lặp lại (dao ñộng trị số) ñược hình thành khi cần tiếp xúc ñi qua các cách ñiện phân ñoạn hay những phần tử chuyên dụng và những phần tử ngắn mạch của các bộ phận chuyên biệt gây nên sự thay ñổi ñột ngột dòng ñiện của ñoàn tàu chạy ñiện trên khu ñoạn ñường sắt khảo sát. Sự thay ñổi ngắn hạn lặp lại (dao ñộng) mang tính chất ngẫu nhiên không gây ảnh hưởng ñáng kể ñến tốc ñộ chuyển ñộng của ñoàn tàu, nhưng ảnh hưởng không tốt ñến sự làm việc của ñoàn tàu chuyển ñộng. Sự tăng ñột ngột ñiện áp dẫn ñến rung ñộng dòng ñiện kéo và lực kéo ñoàn tàu, còn ở chế ñộ hãm tái sinh dẫn ñến giảm dòng ñiện và lực kéo hãm. Sự giảm ñột ngột MCA&T§K • 105 ñiện áp, ngược lại dẫn ñến tăng vọt dòng ñiện hãm tái sinh và lực hãm. Tính chất của hiện tượng nêu trên phần lớn phụ thuộc vào sự làm việc của hệ thống tự ñộng ñiều khiển sử dụng trên ñoàn tàu vận hành. Sự biến ñổi dài hạn (ñộ lệch) giá trị trung bình của ñiện áp về phía giảm thấp dẫn ñến làm tăng dòng ñiện ñoàn tàu, tăng dòng ñiện phụ tải của ñường dây cung cấp và của trạm, tăng phát nóng ñộng cơ ñiện kéo và các phần tử riêng rẽ của hệ thống cung cấp ñiện. Mức ñiện áp của lưới ñiện kéo lấy theo tiêu chuẩn (Liên bang Nga) theo biểu 5–5. Người ta phân biệt ñiện áp trên thanh cái trạm ñiện kéo và trên cần tiếp ñiện của ñoàn tàu tức trên dây tiếp xúc. Khi ñoàn tàu chuyển ñộng theo phân ñoạn lưới tiếp xúc, ñiện áp trên cần tiếp ñiện thay ñổi. Xác ñịnh ảnh hưởng của sự thay ñổi ñiện áp ñến chế ñộ làm việc của ñoàn tàu chuyển ñộng có thể theo giá trị ñiện áp trung bình trên cần tiếp ñiện trong thời gian chuyển ñộng ở chế ñộ kéo theo từng phân ñoạn lưới tiếp xúc theo qui mô vận chuyển tính toán và ñiều kiện chuyển ñộng. ðối với xe ñiện bánh sắt và xe ñiện bánh hơi ñịnh ra tiêu chuẩn không phải trị số ñiện áp mà là trị số trung bình của tổn thất ñiện áp trong lưới ñiện kéo ñến cần tiếp ñiện trong mọi ñiền kiện không vượt qúa 15% trị số ñiện áp ñịnh mức là 600v trên thanh cái trạm ñiện kéo. Trong tính toán hệ thống cung cấp ñiện người ta sử dụng khái niệm “tổn thất ñiện áp” và “ñộ sụt áp”. Tổn thất ñiện áp là hiệu số số học của ñiện áp ở ñiểm ñầu và ñiểm cuối của lưới ñiện. ðộ sụt áp là hiệu số hình học của các véctơ ñiện áp cũng ở các ñiểm nêu trên. Như thế trong mạng ñiện kéo dòng ñiện không ñổi, khái niệm tổn thất ñiện áp và ñộ sụt áp là như nhau. ðiều kiện làm việc xấu nhất của ñoàn tàu chuyển ñộng xuất hiện trên những khu gian ở xa nhất tính ñến tâm cấp ñiện. Thông thường sử dụng trị số tổn thất trung bình của ñiện áp ñến cần tiếp ñiện của ñoàn tàu sau thời gian chuyển ñộng ở chế ñộ kéo trên khu gian nằm xa nhất ñối với tâm cung cấp với khối lượng vận chuyển tính toán là cực ñại. Với mục ñích ñể ñơn giản tính toán ta thay trị số này bằng tổn thất trung bình của ñiện áp ñến ñiểm cuối của ñoàn tàu hoặc ñiểm phân chia dòng ñiện trong trường hợp cung cấp 2 phía với các ñiều kiện như nêu trên. ðối với xe ñiện bánh sắt và xe ñiện bánh hơi lấy trị số tính toán trung bình, cho phép của tổn thất thất ñiện áp ñến ñiểm cuối của ñường dây là 170V. Tiếp nhận trị số ñó ñối với chế ñộ bắt buộc của hệ thống cung cấp ñiện. 106 MCA& TK Biu 5.5. Mc ủin ỏp trong li ủin kộo cỏc loi khỏc nhau ca GTVT in ỏp trờn thanh cỏi trm ủin kộo, V in ỏp trờn cn tip ủin ca ủon tu chuyn ủng, V Loi vn ti nh mc Ln nht nh mc Ln nht Nh nht ng st: Chớnh tuyn v cụng nghip dũng ủin xoay chiu Chớnh tuyn dũng ủin mt chiu Cụng nghip dũng ủin mt chiu 27500 3300 3300 1650 29000 3850 3850 1950 25000 3000 3000 1500 29000 3850 (4000) 3850 1950 19000 2200 2200 1100 in giao thụng thnh ph: Xe ủin ngm Xe ủin bỏnh st, bỏnh hi 825 600 975 700 950 550 975 700 (720) 550 400 Với nớc Nga,điện áp trên cần tiếp điện của đoàn tàu nằm trong giới hạn sau:từ 19 đến 21 kv ở lới điện xoay chiều và từ 2,4 tới 2,7 kv ở lới một chiều. . Biu 5.6. Giỏ tr tn tht ủin ỏp cho phộp trong mch ray Tn tht ủin ỏp cho phộp cc ủi, V, khi s lng thỏng trong 1 nm cú nhit ủ trung bỡnh thỏng khụng cao hn 5 o C Nn ủng ray ca xe ủin 3 4 5 6 7 8 910 1112 Bờ tụng vi ray ngp trong bờ tụng 1,2 0,8 0,6 0,5 0,4 Nn cỏt lỏt ủỏ 6,0 4,0 3,0 2,5 2,0 Nn ủỏ dm vi ủỏ hoc cỏt vi lp nha cỏt di b mt ghộp (ủn ẵ chiu cao ca t vt) 9,6 6,4 4,8 4,0 3,0 Bờ tụng vi cỏch ủin lng ủng bng lp bờ tụng nha 1012cm, t vt cỏt v t vt ủỏ dm khụng lỏt ủỏ 12 8 6 5 4 Trờn phng tin giao thụng vn ti ủng ray thỡ tn tht ủin ỏp trong mch ủin ủng ray nh hn rt nhiu so vi trong li tip xỳc. Song ủ gim dũng ủin rũ t ray xung ủt, cn phi ỏp dng cỏc bin phỏp nht ủnh ủ gim thiu chỳng. Dũng ủin rũ gõy nờn n mũn cỏc ủng ng kim loi, lp bao bc ca cỏch cỏch ủin, v MCA&T§K • 107 phá hoại những công trình cấu trúc bằng kim loại ñặt ngầm dưới ñất. Dòng ñiện rò phụ thuộc không chỉ vào tổn thất ñiện áp trong mạch ñường ray mà còn vào chiều dài của khu ñoạn mạch ray, ñiện trở tiếp giáp giữa ñường ray và ñất.Trị số của dòng ñiện rò phụ thuộc rất lớn vào cấu tạo nền ñường và ñiều kiện thời tiết của môi trường khu vực mà ở ñó ñặt mạng lưới ñường ray. ðã xác ñịnh ñược tiêu chuẩn tổn thất ñiện áp theo giới hạn dòng ñiện rò từ ray xuống ñất ñối với xe ñiện trên ñường ray phụ thuộc vào loại nền ñường của ray và số tháng trong năm với nhiệt ñộ trung bình trong tháng lớn hơn –5 0 C. Trị số tổn thất ñiện áp cho phép T U∆ ñược ñưa ra trên biểu 5–6. Nếu tổn thất ñiện áp trong mạch ñường ray P U∆ tính theo phụ tải ñối với biểu ñồ chạy tàu lớn nhất thì chúng cần thoả mãn bất ñẳng thức max3 )/24( KKtTUU ruP ∆≤∆ (5.2) Trong ñó: t r: thời gian trung bình năm của xe ñiện làm việc trên ñường trong quá trình 1 ngày ñêm, tính theo giờ. K 3 = 1,1 – 1,15: hệ số xác ñịnh quan hệ tỷ lệ của suất tiêu thụ ñiện năng cho chuyển ñộng xe ñiện bánh sắt vào mùa ñông ñến suất tiêu thụ ñiện năng vào mùa hè K max = 1,1 – 1,2: hệ số tính tới quan hệ suất tiêu thụ ñiện năng riêng trong chuyển ñộng tàu cực ñại ñến chuyển ñộng trung bình trong 1 ngày ñêm. 5.2.3. TÍNH ðỐI XỨNG CỦA 3 PHA VÀ CÁC SÓNG HÀI LƯỚI ðIỆN Trong các ñại lượng ñiện không ñối xứng, ñiện áp chiếm một vị trí quan trọng. Với sức kéo bằng dòng ñiện 1 chiều thì hiện tượng ñó không có gì ảnh hưởng ñáng kể, bởi vì chỉnh lưu của các trạm ñiện kéo cân bằng phụ tải theo các pha của hệ thống ñiện 3 pha mạng ñiện phía ngoài. Với sức kéo bằng dòng ñiện xoay chiều xảy ra không ñối xứng ñáng kể trong hệ thống cung cấp ñiện phía ngoài, bởi vì 1 pha luôn chịu chất tải ít. Ngoài ra, phụ tải của 2 pha còn lại cung cấp cho các gánh của mỗi trạm ñiện kéo có thể rất khác nhau. Phương pháp ñối xứng gần ñúng cho phép ñang ñược sử dụng nhiều hiện nay chỉ làm giảm thiểu ít nhiều hiện tượng không ñối xứng ñã nêu. Không ñối xứng ñiện áp ảnh hưởng không tốt ñến sự làm việc của ñộng cơ không ñồng bộ ñược cung cấp từ mạng ñiện 3 pha bởi, vì trong trường hợp này xuất hiện các dòng ñiện thứ tự “ngược” và thứ tự “không” gây phát nóng thêm cho dây quấy phần ứng của ñộng cơ. Mức ñộ không ñối xứng thường ñược ñặc trưng bởi quan hệ ñiện áp thứ tự ngược ñến ñiện áp ñịnh mức, hoặc chính xác hơn ñược ñánh giá bằng quan hệ ñiện áp thứ tự ngược với ñiện áp thứ tự thuận. Vectơ ñiện áp thứ tự ngược có thể ñược xác ñịnh theo biểu thức sau: ( ) CBA UaUaUU &&&& ++= 2 2 3 1 (5.3a) Trong ñó: . ,A U . ,B U . C U : Véctơ ñiện áp các pha A,B,C; 0 120j ea = , 0 2402 j ea = .Như vậy nhân 1 véctơ bất kỳ với a nghĩa là quay véctơ ñó 108 • MCA& TðK 1 góc 120 0 ngược chiều kim ñồng hồ; và nhân với a 2 – quay 120 0 cùng chiều kim ñồng hồ. Véctơ ñiện áp thứ tự thuận: ( ) CBA UaUaUU &&&& 2 1 3 1 ++= (5.3b) Véctơ ñiện áp thứ tự không: ( ) CBA UUUU &&&& ++= 3 1 0 (5.4) Khi hệ thống ñiện áp các pha A, B, C ñối xứng, các véctơ . ,A U . ,B U . C U , . 1 U bằng hau về trị số, còn . ,0 U . ,2 U (theo 5–3,5–4)sẽ bằng không. Với sự biến ñổi liên tục phụ tải của các gánh cung cấp trạm ñiện kéo,việc ñịnh lượng chế ñộ không ñối xứng có những khó khăn nhất ñịnh và ñược ñặc trưng như trị số lớn nhất của mất ñối xứng trung bình của ñiện áp ñược xác ñịnh như trị số trung bình sau thời cao ñiểm của vận chuyển chạy tàu thực tế có thể trong biểu ñồ vận chuyển. Suy giảm công suất cho phép của ñộng cơ không ñồng bộ khi mất ñối xứng có thể xác ñịnh theo công thức kinh nghiệm: ( ) ( ) 2222 1/1 βαβα uudmcp PP +−= (5.5) Trong ñó: P cp : Công suất cho phép khi hệ số không ñối xứng dm u U U 2 = α U 2: Môdun véctơ ñiện áp 2 . U P ñm : Công suất ñịnh mức của ñộng cơ β : Thứ nguyên của dòng ñiện khởi ñộng Tính toán theo công thức trình bày trên cho các kết quả như sau: ðối với β =5 khi dm u U U 2 = α =0.05(5%), P p = 0.88P ñm ðối với β =5 khi dm u U U 2 = α =0.02(2%), P p = 0.98P ñm Trị số không ñối xứng cho phép là 2%.Trong mạng ñiện kéo với mục ñích ñể ñối xứng hoá sử dụng các tụ ñiện mắc theo sơ ñồ bù song song như thế nào ñể chúng tạo ra thành phần thứ tự ngược có chiều ngược lại với thành phần thứ tự ngược của phụ tải. Những ñiều hoà bậc cao của dòng ñiện và ñiện áp trong mạng ñiện kéo và trong hệ thống cung cấp ñiện phía ngoài làm xấu ñặc tính tương thích ñiện từ của mạng ñiện kéo và những thiết bị ñiện liên quan, ñồng thời làm giảm chỉ tiêu chất lượng ñiện năng của các phụ tải khác và của hệ thống cung cấp ñiện nói chung. MCA&T§K • 109 ðiện áp ở ñầu ra bộ biến ñổi trạm ñiện kéo dòng ñiện 1 chiều chứa thành phần xoay chiều gồm có sóng hài tần số cao với các biên ñộ khác nhau. Nguồn của các thành phần ñiều hoà bậc cao cũng là ñoàn tàu chuyển ñộng chứa các bộ biến ñổi tĩnh dòng ñiện một chiều hay trong hệ thống truyền ñộng ñiện kéo, và trong các thiết bị phụ khác của lưới ñiện kéo.Chúng ảnh hưởng ñến sự làm việc của hệ thống ñóng ñường tự ñộng của ñường dây thông tin liên lạc và của các phụ tải khác. Tần số f v của ñiều hòa với số bậc v ñược xác ñịnh như sau: f v = 50.m.k (5–6a) Trong ñó: m – ñộ ñập mạch của sơ ñồ chỉnh lưu, m = 6,12 k – dãy số nguyên, k = 1,2,3 … Với ñiện áp cung cấp ñối xứng và hình sin ở các sơ ñồ chỉnh lưu 6 mạch ñập trong lưới ñiện kéo tồn tại các sóng hài bội số 300Hz, còn ở sơ ñồ chỉnh lưu 12 mạch ñập bội số 600Hz. Khi ñiện áp cung cấp là không ñối xứng xuất hiện thêm các ñiều hoà cao tần bội số 100Hz. ðể bảo ñảm tính tương thích ñiện từ của mạng ñiện kéo một chiều với ñường dây thông tin liên lạc, với các hệ thống ñóng ñường tự ñộng và các phụ tải ñiện khác ở ñầu ra của các trạm ñiện kéo cần phải ñặt các bộ san bằng bao gồm các bộ lọc tần LC và nhánh không chu kỳ dưới dạng tụ ñiện. Các bộ lọc ñược ñặt với các tần số của các ñiều hoà cao tần tương ứng và chúng làm việc cùng với các cuộn kháng ñường dây (phi ñơ)ray của mạng ñiện kéo. Trong các trạm ñiện kéo của giao thông ñiện thành phố không dùng bộ (thiết bị) san bằng. Trong hệ thống ñiện kéo dòng ñiện xoay chiều, những ñầu máy dùng chỉnh lưu là các máy phát công suất tạo ra tia lửa và chính nó làm xuất hiện các sóng hài bậc cao trong mạng ñiện kéo và cả trong hệ thống cung cấp ñiện phía ngoài. Người ta ñịnh nghĩa hệ số công suất µ của mạng ñiện kéo là quan hệ tỷ lệ của công suất tác dụng P và công suất toàn phần S = U.I:               == ∑∑∑ ∞ = ∞ = ∞ = 1 2 1 2 1 ./cos/ v v v v v vvv IUIUSP ϕµ Trong ñó: U v, , I v : giá trị hiệu dụng của ñiện áp và dòng ñiện ñiều hoà tần số bậc v v ϕ cos : cosin góc lệch pha giữa dòng ñiện và ñiện áp của ñiều hoà bậc v Nếu cho rằng hệ thống cung cấp ñiện ñường sắt nhận ñiện năng từ hệ thống cung cấp ñiện công suất vô cùng lớn thì có thể coi ñiện áp của hệ thống này có dạng hình sin. Lúc ñó công suất tác dụng ñược xác ñịnh theo biểu thức: 111 cos ϕ IUP = và hệ số công suất:         = ∑ ∞ = 1 2 1 111 cos v v IU IU ϕ µ 110 • MCA& TðK Trong ñó: ∑ ∞ = 1 2 v v I = I td : trị số tác dụng của dòng ñiện không sin Tỷ số I 1 /I td = k v1 có tên là hệ số méo ñường cong dòng ñiện Hệ số công suất của mạng ñiện kéo có nhiều tần số: 11 cos v k ϕµ = (5–6b) 5.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MẠNG ðIỆN KÉO 5.3.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP Các phương pháp tính toán mạng ñện kéo ñược chia thành 2 nhóm cơ bản: Nhóm 1: Tính toán trên cơ sở lịch chạy tàu và ñường cong dòng ñiện tiêu thụ Nhóm 2:Tính toán trên cơ sở cường ñộ vận chuyển cho trước và khối lượng vận chuyển. Trong nhóm thứ nhất, người ta sử dụng biểu ñồ vận chuyển và ñường cong dòng ñiện ñoàn tàu tiêu thụ(lấy từ kết quả tính toán sức kéo) ñối với từng loại ñoàn tàu cụ thể làm số liệu ban ñầu. ðối với nhóm thứ hai,số liệu ban ñầu lại là cường ñộ chuyển ñộng của ñoàn tàu loại này hay loại kia, mà bảo ñảm khối lượng vận chuyển xác ñịnh hoặc lưu lượng hành khách. Các phương pháp của nhóm thứ nhất có thể sử dụng ñể tính toán hệ thống cung cấp ñiện cho xe ñiện ngầm,xe ñiện tốc ñộ cao,ñoàn tàu toa xe tự hành trong và ngoại vi thành phố. Thời gian sau này phát triển mạnh phương pháp tính mạng ñiện kéo trên cơ sở sử dụng mô hình hoá các ñường cong vận chuyển và lịch chạy tầu trên máy tính ñiện tử. Các phương pháp phụ tải phân bố ñều và phân tích tổng hợp liên quan ñến các phương pháp của nhóm thứ hai. Một trong các phương pháp phụ tải phân bố ñều không cho ñộ chính xác,nhưng cho phép dễ dàng tính toán mạng ñiện kéo thực tế bất kỳ có ñộ phức tạp nhất ñịnh và có thể sử dụng ñể tính toán mạch ñường ray của xe ñiện bánh sắt. Phương pháp thứ hai tổng quát hơn có thể sử dụng cho bất kỳ loại giao thông vận tải nào. 5.3.2. TÍNH TOÁN CUNG CẤP ðIỆN KEÓ TRÊN CỞ SỞ LỊCH CHẠY TÀU Xem xét phương pháp mặt cắt biểu ñồ chạy tàu theo các ñiểm ñặc trưng. ðể ñơn giản ta lấy biểu ñồ chạy tàu song song và chuyển ñộng ñều. Các thông số ban ñầu ñã cho là biểu ñồ chạy tàu t(l) ở cả 2 chiều trong khu gian và ñường cong dòng ñiện tiêu thụ bởi ñoàn tàu, công suất tác dụng P(l) và công suất phần kháng Q(l) với dòng ñiện xoay chiều theo cả 2 chiều chuyển ñộng của ñoàn tàu. MCA&T§K • 111 Hình 5–3. Kỹ thuậ vẽ mặt cắt của ñồ thị chạy tàu 1. ðường cong các dòng ñiện tiêu thụ bởi ñoàn tàu 2. ðồ thị chạy tàu l: ðoạn ñường ñoàn tàu ñã ñi qua t: Thời gian chạy tàu In: Dòng ñiện ñoàn tàu tiêu thụ T rp : Khoảng cách thời gian giữa các ñoàn tàu 0: ðiểm dừng tàu : Các ñiểm tính toán – làm việc Theo ñồ thị chuyển ñộng ñều và song song việc tính các ñại lượng ñiện ñặc trưng cho sự làm việc của hệ thống cung cấp ñiện kéo có thể thực hiện với việc tính toán thời gian lặp lại ñồ thị chạy tàu T ñt . Trong ñiều kiện ñồng ñều của lịch chạy tàu, thời gian ñó sẽ bằng khoảng cách t kc giữa 2 ñoàn tàu cùng chiều, có nghĩa t kc = T ñt . 5.3.3. XÂY DỰNG CÁC ðƯỜNG CONG DÒNG ðIỆN TIÊU THỤ BỞI ðOÀN TÀU VÀ LỊCH CHẠY TÀU ðồ thị vận chuyển t(l) của các ñoàn tàu cả 2 phía trên 1 khu gian ñủ cho thể hiện trên cùng một hình vẽ với các ñường cong dòng ñiện tiêu thụ bởi các ñoàn tàu ñó i ñ (l) (Hình 5–3). Tỷ lệ của các khoảng cách trên ñồ thị chạy tàu t(l) và trên các ñường cong dòng ñiện tiêu thụ i(l) ñược coi giống nhau, còn tung ñộ của ñồ thị ñặt trên cùng một ñường thẳng.ðể ñơn giản tất cả khu gian coi như nhau, khi ñó chiều dài của khu ñoạn tính toán: 112 • MCA& TðK L = l nep n nep (5–7) Trong ñó: l nep : chiều dài qui ñổi của khu gian, (m) n nep : tỷ lệ qui ñổi chiều dài,(không thứ nguyên), ðồ thị chạy tàu ñược xây dựng tính tới thời gian dừng trên các ga giữa các khu gian (các ñiểm dừng ñược ký hiệu bởi các ñiểm tròn ñen trắng). Với phương án tính toán ñơn giản khi ñồ thị chạy tàu song song với các khoảng cách như nhau giữa các ñoàn tàu, với nó ñủ ñể xây dựng lịch chạy tàu cho khoảng cách thời gian t kc giữa các ñoàn tàu trên ñường. Khoảng cách thời gian t kc (phút) ñược cho trước hay ñược xác ñịnh bởi cường ñộ vận chuyển ñã cho N của ñoàn tàu: t kc = 60/N = T ñt (5–8) với T ñt : Thời gian lặp lại ñồ thị chạy tàu (phút) Cường ñộ vận chuyển của những ñoàn tàu ngược chiều nhau ñược ño bằng số ñôi tàu trong 1 giờ,ñể ñơn giản ta coi là như nhau. Nếu thời gian chuyển ñộng T y theo khu gian lớn hơn khoảng cách T ñt thì trong phương án tính toán ñơn giản với lịch chạy tàu song song và ñều, ñường cong 2 của lịch vận chuyển t(l) bị ngắt ở ñiểm cắt của chúng với ñường biểu diễn thời gian T ñt và tiếp tục từ ñiểm nằm trên trục hoành ứng với thời ñiểm t = 0. Cả 2 ñiểm cần ñặt trên 1 ñường thẳng song song với trục toạ ñộ (hình 5–4). ðối với ñoàn tàu dòng ñiện xoay chiều, ñường cong dòng ñiện tiêu thụ (hoặc là công suất) và biểu ñồ chạy tàu ñược xây dựng giống như ñoàn tàu dòng ñiện không ñổi (một chiều). ðiểm khác nhau là ở chỗ tính toán ñược tiến hành trên cở sở công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q hoặc là thành phần tác dụng và thành phần phản kháng của dòng ñiện ñoàn tàu,mà ñoàn tàu này ñược cung cấp từ lưới ñiện xoay chiều tại thời ñiểm bất kỳ và tại ñịa ñiểm bất kỳ của khu gian. I ñ.a = P/U; i ñ.p = Q/U (5–9) Trong ñó: U – trị số trung bình của ñiện áp trong lưới ñiện kéo (25KV ñối với ường dòng ñiện xoay chiều). ðại lượng góc lệch pha ϕ giữa dòng ñiện ñoàn tàu và ñiện áp trên cần tiếp ñiện bằng: ParctgQ / = ϕ (5–10) Các thành phần của dòng ñiện ñoàn tàu cần ñược xây dựng ñối với chế ñộ hãm tái sinh. Góc lệch pha tại thời ñiểm bất kỳ của hãm tái sinh ñược xác ñịnh từ biểu thức: dadp iitg /= ϕ (5–11) Dòng ñiện toàn phần của ñoàn tàu tại thời ñiểm bất kỳ: 22 dpdad iii += (5–12) Qua các ñiểm nhận ñược trên ñường cong t(l) kẻ các ñường thẳng song song với trục hoành qua toàn bộ ñồ thị chạy tàu. Mỗi một ñường thẳng là một mặt cắt của ñồ thị tại thời ñiểm xuất hiện một ñiểm ñặc trưng cụ thể trên ñồ thị dòng ñiện (ñường 1)của ñoàn tàu khảo sát. Những ñiểm cắt của các ñường thẳng này với ñồ thị chuyển ñộng của các ñoàn tàu còn lại t(l) (cắt ñường 2),sẽ xác ñịnh vị trí (nhìn vào trục quãng ñường–lý trình theo hoành ñộ) của những ñoàn tàu ñó trên khu gian tại thời ñiểm(nhìn vào trục [...]... ñi n áp tính t ñi m cung c p A ñ n ñi m có hoành ñ x có th vi t dư i d ng: MCA&T§K • 115 x ∆U x = r0i p ∫ (L − x )dx , sau khi l y tích phân 0 ( ∆U x = r0i p Lx − x 2 / 2 ) (5. 17) Trong ñó: r0 ñi n tr c a 1 ñơn v chi u dài lư i ñi n kéo tính c dây ti p xúc và ray, Ω / km T n th t trung bình c a ñi n áp ∆U ñ n c n ti p ñi n ñư c xác ñ nh b ng: tích phân bi u th c (5. 17) trong kho ng t 0 ñ n L và chia... i gian gi a 2 ñoàn tàu, phút 114 • MCA&TðK (5–14) Hình 5–5 Khu ño n m ng ñi n kéo v i ph t i phân b ñ u a: sơ ñ tính toán ph t i khu ño n b: bi u ñ t n th t ñi n áp ∆U d c khu ño n (ñư ng ñ m nét) và t n th t trung bình ñi n áp (nét ch m ch m.) c: sơ ñ thay th ph t i phân b ñ u b ng ph t i t p trung d: bi u ñ t n th t ñi n áp v i ph t i t p trung tương ñương ip: tr s ph t i dòng ñi n phân b ñ u A: tr... th i gian chuy n ñ ng T trên khu ño n tính ñ n nh ng ñi m ñ trung gian, ñ ng th i c sau th i gian TT chuy n ñ ng tr ng thái kéo Trong tính toán ñi n kéo s d ng các ñ nh nghĩa sau ñây MCA&T§K • 1 17 Hình 5 7 M ng cung c p 1 phía t ñi m A a: sơ ñ tính toán; b: bi u ñ t n th t ñi n áp trên ño n gây nên b i 1 ñoàn tàu; L: chi u dài khu ño n; x: hoành ñ c a ñoàn tàu; ix: dòng ñi n t c th i tích t ñoàn tàu... Phương pháp phân tích t ng h p cho phép nh n ñư c k t qu chính xác hơn so v i phương pháp ph t i phân b ñ u b i vì nó tính ñ n dao ñ ng và s thay ñ i liên quan c a các ph t i B i vì quá trình này trong m t m c ñ l n mang tính ng u nhiên, c n xác ñ nh nh ng công th c tính toán s d ng lý thuy t xác su t V i gi ñ nh cơ b n có th coi s ñôi t n trên khu gian kh o sát b ng tr s trung bình n, còn m t vài t h... = i p (L − x ) (5–16) Khi các ñoàn tàu chuy n ñ ng, không ch chú ý t i ñi n áp mà còn t i tính ch t s bi n ñ i ñi n áp trên khu gian, b i vì toa xe ho c ñoàn tàu d ch chuy n n i ti p nhau qua nh ng ñi m khác nhau s nh n ñư c nh ng ñi n áp r t khác nhau ð th c hi n ñi u ñó ngư i ta xác ñ nh tr s trung bình c a t n th t ñi n áp ñ n c n ti p ñi n c a ñoàn tàu trong ñi u ki n coi chuy n ñ ng c a nó v i... c t c a dòng ñi n ñoàn tàu, h s ke cao hơn k t qu tính toán theo bi u th c (5.22) Xét ñ n tình hình th c t ñó ñưa ra tr s h s kinh nghi m trong bi u th c (5.22) l y b ng ke2 = (1,1 1,15) ε 118 • MCA&TðK B Xác ñ nh t n th t ñi n áp T n th t trung bình c a ñi n áp ñ n c n ti p ñi n c a ñoàn tàu b t kỳ ∆U g m ph n t n th t ∆U C gây nên b i dòng ñi n ñoàn tàu kh o sát và ∆U n gây nên b i các ñoàn tàu khác... ∆U n : ph n t n th t ñi n áp ñ n c n ti p ñi n c a ñoàn tàu kh o sát gây nên b i ñoàn tàu khác b t kỳ ñang ch y trên khu gian Tr s ∆U C ñư c xác ñ nh sau th i gian ch y tàu ñoàn tàu kh o sát: 1 ∆U C = TK ch ñ kéo Tk c a TK ∫ ∆Udt 0 ∆U : tr s t c th i c a t n th t ñi n áp ñ n c n ti p ñi n c a ñoàn tàu kh o sát, gây nên b i dòng ñi n c a b n thân ñoàn tàu kh o sát Trên hình 5–7a là ño n chi u dài L, Km,... tác nêu trên ñư c áp d ng cho t t c các ñi m bi n ñ i trong m t c t xem xét.Khi không có s bi n ñ i n c b c c a dòng ñi n ñ i v i t t c các ñi m,thì s nh n ñư c 1 sơ ñ t c th i Tính toán m i m t sơ ñ cho tr s t c th i c a ñ i lư ng c n tìm, t ng c ng các tr s ñó sau th i gian Ty ho c Tñt v i ñ th chuy n ñ ng song song và chuy n ñ ng ñ u,cho phép xác ñ nh tr s trung bình, hi u d ng và c c ñ i c a các... nh vì tính không ñ ng ñ u chuy n ñ ng và tính sai l ch c a v n chuy n so v i bi u ñ ch y tàu ñ nh trư c Không xét tính ch t th c s thay ñ i s lư ng ñoàn tàu trên ño n kh o sát, d n ñ n gi m ñ chính xác các k t qu nh n ñư c ñ i v i nh ng ñ i lư ng ph thu c vào s ñôi t u ð ñơn gi n tính toán các ph t i dòng ñi n c a ñoàn tàu ñư c cho dư i d ng nh ng tr s trung bình và hi u d ng Xác ñ nh dòng ñi n trung... tàu ñi n ch y ñi n m t chi u trên các sơ ñ t c th i, ký hi u kho ng cách t ñi m A ñ n các ñi m tương ng các dòng ñi n ñoàn tàu và giá tr c a chúng Còn v i ñoàn tàu ch y ñi n xoay chi u c n ch ra thành ph n tác d ng và thành ph n ph n kháng c a dòng ñi n, h s công su t cosϕ và kho ng cách ñ n ñi m ñ t ñ u máy ñoàn tàu L ln lk ls l2 l1 A B i1 is i2 ik in ∆t = ∆t1 a L ln lk ls l2 l1 A B ∆t = 0 i1 i2 is . 600 975 70 0 950 550 975 70 0 (72 0) 550 400 Với nớc Nga ,điện áp trên cần tiếp điện của đoàn tàu nằm trong giới hạn sau:từ 19 đến 21 kv ở lới điện xoay chiều và từ 2,4 tới 2 ,7 kv. tải. Những ñiều hoà bậc cao của dòng ñiện và ñiện áp trong mạng ñiện kéo và trong hệ thống cung cấp ñiện phía ngoài làm xấu ñặc tính tương thích ñiện từ của mạng ñiện kéo và những thiết bị ñiện. của mạng ñiện kéo có nhiều tần số: 11 cos v k ϕµ = (5–6b) 5.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MẠNG ðIỆN KÉO 5.3.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP Các phương pháp tính toán mạng ñện kéo