Магнитное влияние

Суть магнитного влияния рассмотрим на примере воздействия магнитного поля контактного провода на однопроводную жилу воздушной линии связи (при магнитном влиянии U_к=0).

Ток контактного провода (рис. 2.2, а) течет от электровоза на тяговую подстанцию по рельсу и земле. Ввиду того, что рельс как массивный стальной проводник оказывает переменному току большое сопротивление, возрастающее с увеличением тока, будем считать [1], что практически весь ток в обратном направлении протекает по земле, при этом образуется первый влияющий контур "контактный провод–земля".

Рис. 2.2. Влияющие контуры контактной сети

Ток наведет в рельсе на единицу длины ЭДС Е_р, отстающую от тока на угол 90° (рис. 2.3, а) и равную Е_р = jw М_кр = z_кр , где w – угловая частота, М_кр – коэффициент взаимной индукции на единицу длины между контактным проводом и рельсом, Z_кр – сопротивление взаимной индукции.

Так как в рельсе появляется ЭДС Е_р, а рельс шунтирован землей, то в рельсе потечет ток (индуктированный ток), отстающий от Е_р на угол j, определяемый отношением индуктивного и активного сопротивлений рельса х _р/ r _ра. Это отношение больше 2, 3 [2], поэтому угол j > 70°. Практически ток находится в противофазе току и протекает по контуру "рельс–земля", который является вторым влияющим контуром.

Рис. 2.3. Векторные диаграммы

Первый контур с током наведет в проводе 2 воздушной линии ЭДС Е_ск = j w М_ск? , (рис. 2.3, б) где М_ск – коэффициент взаимной индукции между контактным проводом и проводом 2; второй контур с током создает в том же проводе 2 ЭДС Е_ср = j w М_ср , где М_ср – коэффициент взаимной индукции между рельсом и проводом 2. Как показано на рис. 2.3, б, результирующая Е_с, наведенная в проводе 2, при наличии рельса меньше, чем ЭДС Е_ск, то есть рельс как бы экранирует воздушную линию связи. Отношение Е_с/ Е_ск = r называется коэффициентом экранирующего (или защитного) действия рельсовой цепи. Для двухпутных участков r = 0,4х0,6, то есть рельсы в среднем в два раза уменьшают магнитное влияние контактного провода. Из вышенаписанных формул выразим Е_с = Е_ск r =w М_cк r. Зная величину r, можно найти значение Е_с, не вычисляя ток рельса .

Экранирующим эффектом при магнитном влиянии обладает также металлическая оболочка кабеля. Оценим магнитное влияние контактной сети на жилу кабеля 3 (рис. 2.2, б). Силовые линии магнитного поля переменного тока, проникая в землю, пересекают жилу и оболочку кабеля, вследствие чего в них возникают ЭДС: Е_об = j w М_к-об r, Е_ж = j w М_к-ж r, где М_к-об, М_к-ж – коэффициенты взаимной индукции на единицу длины между контактным проводом и оболочкой и контактным проводом и жилой. Поскольку расстояние между контактным проводом и жилой практически такое же, как между контактным проводом и оболочкой, то Е_ж = Е_об. Эти две ЭДС изображены на рис. 2.4 как два одинаковых по модулю вектора, отстающих на 90 градусов от создающего их тока .

Рис. 2.4. Векторная диаграмма

Оболочка кабеля шунтирована землею, поэтому в оболочке потечет ток , который будет отставать от своей ЭДС Е_об на угол j, определяемый отношением индуктивного и активного сопротивлений оболочки кабеля. Это отношение больше двух, поэтому угол j больше 60°.

Ток оболочки создает вокруг жилы свое магнитное поле, а в жиле – новую ЭДС Е_ж1 = j w М_об-ж , М_об-ж – коэффициент взаимной индукции между оболочкой и жилой.

Эта ЭДС будет отставать от индуктирующего ее тока также на угол 90°. Результирующую ЭДС магнитного влияния Е_м получим, сложив векторы Е_ж и Е_ж1 по правилу параллелограмма. Эта ЭДС меньше, чем ЭДС Е_ж, т.е. оболочка кабеля уменьшает магнитное влияние, экранируя жилу кабеля. Отношение Е_м / Е_ж= r_об называется коэффициентом защитного действия оболочки кабеля, для различных типов кабеля r_об = 0,0х0,1, т.е. оболочка кабеля уменьшает магнитное влияние в 100 - 10 раз.

Как видно из рис. 2.4, если увеличить Е_ж1 до значения , то результирующая ЭДС уменьшается (). Но увеличить можно только увеличением тока , который определяется выражением (без учета переходного сопротивления между оболочкой и землей)

,

где R_об и Х_об – активное и индуктивное сопротивления оболочки.

Сопротивление Х_об мало зависит от толщины оболочки, поэтому для увеличения уменьшают R_об, помещая для этого между жилами кабеля и оболочкой прослойку из цветного металла (экран). Увеличению тока способствует также заземление через определенное расстояние (3 - 5 км) оболочки кабеля.

Второй способ уменьшения Е_м состоит в том, чтобы Е_ж1 заняла вертикальное положение. Действительно, при таком положении вектора Е_ж1 и равенстве его модуля величине Е_ж значение Е_м будет равно нулю. Поскольку вектор Е_ж жестко связан с током углом 90°, то повернуть вектор Е_ж1 можно только увеличивая угол j, для чего необходимо повышать индуктивность оболочки. В этих целях в качестве материала оболочки применяют специальные сорта сталей с повышенной магнитной проницаемостью.