Электроснабжение на железнодорожном транспорте

Традиционное разделение электроустановок на установки низкого напряжения и высоковольтные электроустановки с границей в 1000 В определяется уровнем опасности для человека. Существует, однако, другой серьезнейший фактор, приводящий к коренному отличию электроустановок низкого и высокого напряжений - это поведение изоляции электроустановки.

В низковольтных установках в подавляющем большинстве случаев изоляционные расстояния определяются механическими соображениями, то есть возможностью выдерживать механические нагрузки или исключением возможного соприкосновения токоведущих частей между собой. В высоковольтных установках на первое место выходит проблема возможных повреждений изоляции из-за большого напряжения на ней.

К примеру, для напряжения 220 В воздушный промежуток в доли миллиметра с точки зрения электрической прочности уже вполне приемлем (хотя и недостаточен из-за возможности механического соприкосновения), то для напряжения 110 кВ воздушный промежуток размером в десятки сантиметров уже не является изоляцией и вполне может быть пробит. Именно специфическая проблема изоляции при высоких напряжениях ставит основной задачей техники высоких напряжений обеспечение необходимого уровня электрической изоляции элементов электроустановок.

Высокие напряжения широко используются в электротехнологии (осаждение частиц в сильном электрическом поле, электрогидравлический эффект и др.), а также в электрофизических установках различного назначения.

Техника высоких напряжений представляет собой науку о характеристиках вещества и процессах в нем при экстремальных электромагнитных воздействиях - высоких напряжениях и сильных токах, а также о технологическом использовании этих процессов.

Один из основных разделов техники высоких напряжений посвящен свойствам и характеристикам изоляционных конструкций электрооборудования высокого напряжения и условиям их надежной эксплуатации при воздействии рабочего напряжения, грозовых и внутренних перенапряжений.

Исходным пунктом в определении величин электротехники можно считать закон Кулона и выводимое из него понятие величины электрического заряда q.

Закон Кулона опирается на фундаментальное понятие механической силы и признание некоторого особенного рода силовых взаимодействий тел, названных электрическими (электромагнитными) взаимодействиями. В нем заложено произведение зарядов двух тел, но для выделения одного заряда достаточно привнести третье заряженное тело и определить три попарных произведения зарядов, из которых однозначно определяются все три заряда тел.

Напряженностью электрического поля E назвали силу, с которой поле действует на тело с зарядом в 1 Кл (точнее говоря, предел отношения силы к заряду при уменьшении заряда к нулю; далее некорректности этого рода не будут сопровождаться оговорками). Для выделения составляющих этой силы ввели понятие индукции электрического поля D, которая определяет часть электрической силы, обусловленную зарядами - источниками электрического поля. Собственно, сила от источников определяется отношением D к электрической постоянной ε₀=8.85*10^-12 Ф/м.

Вторая составляющая силы получается за счет влияния диэлектрической среды, и эта составляющая уменьшает первичную силу. Параметром диэлектрической среды, характеризующим степень ослабления первичной силы, является относительная диэлектрическая проницаемость ε_r.

Кроме силовых существуют еще энергетические характеристики электрического поля. Понятие энергии довольно неопределенное, разве что можно с большими натяжками провести параллель между энергией и деньгами как мерой затраченных на производство товара человеческих усилий; определение энергии как способности тела совершать работу не слишком сильное и малопродуктивное. В общем, нашлась некая величина, сохраняющаяся при различных взаимодействиях и тем удобная. Через эту величину вводится понятие потенциала φ, равного энергии, которою обладает в электрическом поле тело с зарядом в 1 Кл; обычно нулем этой энергии считается энергия тела в бесконечном удалении.

Напряжением называют разность потенциалов между двумя точками поля, одна из них начальная, другая - конечная, точки неравноправны:

U=φ₁-φ₂=-(φ₂-φ₁).

При такой трактовке разности потенциалов оказывается, что напряжение - это работа сил электрического поля при перемещении тела с зарядом в 1 Кл из точки 1 в точку 2. Весьма близкая к напряжению величина - ЭДС источника электроэнергии; ею называется энергия, сообщаемая заряженным частицам с суммарным зарядом в 1 Кл, прошедшим через источник.

Все перечисленные величины характеризуют для начала неподвижные заряды. Для перемещающихся заряженных частиц первейшая характеристика - величина электрического тока I, протекающего через сечение объекта, которая представляет собою количество заряда, протекшего через сечение за 1 с. Если ток не постоянный, то для него вводится еще ряд понятий. Во-первых, это мгновенное значение тока i(t) или просто i - значение тока в заданный момент времени (или во все моменты времени).

Для периодического (не обязательно синусоидального, но обязательно периодического) тока существует понятие действующего (эффективного) значения тока I, означающего в простейшей трактовке такое значение постоянного тока, которое так же нагревает резистор, как и данный переменный ток (разумеется, в одинаковых условиях нагревания).

Более корректно под действующим значением периодического тока понимают среднеквадратичное за период значение величины тока. Кроме того, есть понятие амплитуды тока, среднего значения тока за период (то есть постоянной составляющей) и среднего значения тока за полупериод.

Все указанные значения относятся и к напряжению.

Магнитное поле характеризуется прежде всего индукцией магнитного поля B, являющейся силовой характеристикой поля, которую не слишком строго можно определить как силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током 1 А длиной 1 м, ориентированный в пространстве так, чтобы сила была максимальна.

Действующая сила слагается из силы со стороны источников магнитного поля (намагничивающих токов) и силы со стороны намагниченной среды; первая сила определяется напряженностью магнитного поля H, которую можно назвать частью силы со стороны намагничивающих токов. Соотношение между этой частью силы и полной силой, которая определяет индукцию, описывается относительной магнитной проницаемостью μ_r.Поток магнитного поля Φ через площадку, ограниченную некоторым контуром (может быть, из провода) - это поток вектора магнитной индукции через эту площадку, или, грубо говоря, число линий магнитного поля, пересекающих площадку.

Все перечисленные выше характеристики описывают состояние некоторой системы или процессы в ней (если состояние меняется во времени). Как известно, имеются еще характеристики отдельных элементов, не зависящие от электромагнитного состояния и представляющие собой некоторые коэффициенты пропорциональности между характеристиками процесса. Из этих характеристик ниже упоминаются лишь некоторые, наиболее важные для темы дисциплины.

Сопротивление резистора (а резистор - это элемент, назначение которого состоит только в переводе электрической энергии в тепло) - это отношение напряжения на зажимах резистора к току через его сечение.

Емкость конденсатора, имеющего на пластинах одинаковые по величине и разные по знаку заряды, определяется как абсолютная величина отношения заряда одной из пластин к напряжению между пластинами. Условие насчет зарядов означает, во-первых, всего лишь два тела в системе (две пластины конденсатора), во-вторых, опирается на закон сохранения величины электрического заряда в системе и, в-третьих, предполагает первоначальную электрическую нейтральность системы.

Индуктивностью L некоторого проволочного контура называется величина магнитного потока, созданного током 1 А этого же контура. В совокупности с законом электромагнитной индукции и с пропорциональностью магнитного поля намагничивающему току (что фиксируется законом полного тока) такое определение позволяет связать напряжение на контуре (или катушке из последовательно соединенных контуров) со скоростью изменения тока контура.

Взаимной индуктивностьюM между двумя контурами называют величину магнитного потока в одном из контуров, созданного другим контуром при токе в нем 1 А. В данном случае неважно, какой из контуров создает магнитное поле.

Перечисленных определений величин в основном хватит для понимания материала пособия. Остается сказать несколько слов о законах электромагнетизма, на которые явно или неявно есть ссылки по ходу изложения.

Первый закон Кирхгофа представляет собою просто закон сохранения величины электрического заряда в системе, дополненный условием невозможности накопления электрического заряда в узле электрической цепи.

Второй закон Кирхгофа - это перефразированный закон сохранения энергии с предположением о мгновенности распространения электромагнитных взаимодействий в электрической цепи. Оба закона Кирхгофа верны лишь для электрически коротких цепей. Закон Ома требует привязки напряжения к зажимам двухполюсника и тока к сечению ветви между этими полюсами. В простейшей трактовке закон Ома звучит так: величина тока, протекающего через поперечное сечение электрической ветви, ограниченной двумя узлами, пропорциональна напряжению между этими узлами.

Закон электромагнитной индукции связывает ЭДС в контуре со скоростью изменения магнитного потока в нем:

Направление ЭДС в контуре связано с положительным направлением магнитного потока в контуре правилом правого винта. В совокупности с законом полного тока, объявляющего пропорциональность между напряженностью магнитного поля и намагничивающими токами, закон электромагнитной индукции позволяет использовать понятие взаимной индуктивности для описания взаимосвязи между скоростью изменения намагничивающего тока с наводимой при этом ЭДС.

Для синусоидального тока и линейной системы взаимная индуктивность дает простую пропорциональную зависимость намагничивающего тока в контуре, создающем магнитное поле, и наводимой в другом контуре ЭДС.

Закон полного тока в аккуратной формулировке звучит так: циркуляция вектора напряженности магнитного поля по некоторому контуру равна полному току внутри этого контура, , направление обхода контура и положительное направление тока внутри контура связаны друг с другом правилом правого винта.

Эффективным способом изучения является выполнение лабораторных работ на реальном оборудовании, позволяющем сочетать теоретические положения с их практическим использованием.

При этом необходимо следовать правилам выполнения лабораторных работ.

Выполнение лабораторной работы начинается с обсуждения с преподавателем следующих положений:

- цели работы, конкретно и неформально определяющие основные направления изучения в данной лабораторной работе;

- задачи работы, определяющие объем измерений и наблюдений и очерчивающие границы конкретной работы; задачи работы нельзя путать с методикой измерений;

- используемое в работе оборудование, которое имеет прямое отношение к изучаемой дисциплине (принцип работы, устройство, основные узлы, органы управления, порядок работы с оборудованием);

- методика проведения измерений и наблюдений;

- правила техники безопасности при проведении данной лабораторной работы..