Наведенные напряжения на отключенных воздушных линиях электропередачи, вызванные воздействием тяговой сети железной дороги переменного тока

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

УДК 621.311

О.В.Залесова, М.В.Якубович

НАВЕДЕННЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОТКЛЮЧЕННЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, ВЫЗВАННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТЯГОВОЙ СЕТИ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Аннотация

Рассмотрены вопросы воздействия тяговой сети железной дороги переменного тока на близлежащие линии электропередачи, выведенные в ремонт. Исследованы наведенные напряжения на отключенных воздушных линиях при движении по однопутному участку железной дороги одного и двух составов.

Ключевые слова:

линия электропередачи; железная дорога, электрифицированная на переменном токе; электромагнитное влияние, наведенное напряжение.

O.V.Zalesova, M.V.Yakubovich

INDUCED VOLTAGE ON DEENERGIZED OVERHEAD TRANSMISSION LINES CAUSED BY AC RAILWAY OPERATION

Abstract

This article is devoted to the problems of AC railway interference with nearby dead transmission lines. Induced voltage on deenergized transmission lines have been investigated for two cases when one and two trains were moving along the one-track railway section.

Keywords:

очегЬеэЬ transmission line, AC electric railway, electromagnetic interference, induced voltage.

Нагрузка тяговой подстанции является непрерывно меняющейся случайной величиной. Она зависит от многих факторов, в том числе от количества электровозов, находящихся на участке железной дороги, и их местоположения на участке относительно тяговых подстанций. Изменение нагрузки под влиянием любого из факторов будет отражаться на уровне наведенного напряжения на проводах отключенной линии электропередачи (ЛЭП), подверженной влиянию контактной сети железной дороги переменного тока.

Целью данного теоретического исследования было сравнение уровней наведенных напряжений на отключенной ЛЭП при прохождении по участку железной дороги одного и двух составов и выявление наихудшего случая влияния сети железной дороги на ЛЭП. В ходе работы были выполнены многовариантные расчеты наведенного напряжения на проводе отключенной линии электропередачи.

Для исследования была выбрана модель, состоящая из однопутного участка железной дороги переменного тока и отключенной ЛЭП, проходящих параллельно друг другу и расположенных так, что середина линии электропередачи находится напротив середины участка железной дороги (рис.1). Были рассмотрены 5 вариантов модели, отличающихся длиной сближения (длиной ЛЭП) и его шириной. Параметры вариантов представлены в табл.1.

В расчетах были приняты следующие исходные данные: удельное сопротивление грунта Ргр=10000 Ом-м; линия электропередачи по концам заземлена на сопротивления 0.5 Ом; ток, потребляемый каждым составом, равен 100 А. Величина коэффициента защитного действия рельса задавалась в зависимости от количества электровозов на участке: £зд=0.55 - один электровоз; £зд=0.4 - два электровоза [1].

Рис.1. Варианты параллельного сближения ЛЭП с участком железной дороги

Таблица 1

Параметры вариантов сближения ЛЭП с железной дорогой

№ варианта Длина участка ж-д. /вд км Длина сближения (длина ЛЭП) /нэп, км Ширина сближения b, км

1 50 10 2

2 50 30 2

3 50 50 2

4 50 50 5

5 50 50 10

Для каждого варианта модели рассматривались два случая влияния, когда по железнодорожному пути:

1 - проходил один электроподвижный состав;

2 - проходили два электроподвижных состава.

Соответственно, для каждого варианта модели при различных местах расположения одного и двух электровозов (расстояния между составами также изменялись) на участке железной дороги были рассчитаны значения наведенного напряжения на отключенной линии электропередачи. Методика расчета представлена в [2].

Проведенные для выбранной модели расчеты позволили определить характер распределения наведенного напряжения на отключенной линии в обоих рассматриваемых случаях влияния. Схемы распределения наведенного напряжения представлены на рис.2 и 3.

Исследование показало, что при параллельном сближении железной дороги переменного тока и отключенной линии электропередачи наведенное напряжение на проводах ЛЭП в каждый момент времени имеет максимум в точке линии, находящейся напротив электровоза (при одном составе на участке) или одного из электровозов (при двух составах на участке). Кроме того, наихудшим моментом при равномерном прохождении одиночного состава вдоль отключенной ЛЭП является момент, когда электровоз находится напротив середины линии; в это время наведенное напряжение на середине линии достигает абсолютного максимума.

Рис.2. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП модели № 3 в момент прохождения состава напротив середины линии

Рис.3. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП модели № 3 в момент прохождения первым составом точки 12.5 км, вторым составом - точки 30 км

Расчеты, проведенные в рамках данного исследования, выявили следующую закономерность: если расстояние между двумя электровозами на участке не меньше чем 35% от полной длины ЛЭП (/ЛЭП), то максимальное наведенное напряжение на ее проводах инав не превысит максимального значения этой величины при движении одного электровоза по участку железной дороги. Это условие выполняется независимо от ширины и длины сближения участка железной дороги и ЛЭП.

На рисунках 4-8 в виде графиков представлены результаты расчетов наведенных напряжений на проводе отключенной ЛЭП при движении двух составов по участку железной дороги. Для каждого варианта модели показаны наведенные напряжения при параллельном движении электроподвижных составов на расстоянии /ЛЭП, равном 0.3, 0.35 и 0.4 длины линии (/ЛЭП). Горизонтальной прямой линией на рисунках обозначен уровень максимального наведенного напряжения на проводе отключенной ЛЭП при движении по участку одного электроподвижного состава. Каждая из двух кривых показывает наведенное напряжение в различных точках линии в момент прохождения по железной дороге напротив них одного из электровозов.

Из рисунков 4-8 видно, что чем меньше расстояние между электровозами, тем выше уровень максимального наведенного напряжения на проводе отключенной линии электропередачи.

а

б

4л='О.З^ЛЭП

/эл=0.35^/Л

в

Рис.4. Графики распределения максимальных уровней наведенного напряжения на ЛЭП

а б

4л=0.3^ЛЭП

4л=0.35-/

ЛЭП

в

Рис.5. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП

а

б

в

Рис. 6. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП

а б

Рис. 7. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП

а

б

^

ч

/ \ V2 со став

г

М со став

°0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Ц км

4л=0.З^ЛЭП

>

/ N \ f 2 со став

/ \

f-1 со став

/ \

/ л

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 L,km

/эл-0.35-/лЭП

в

Рис.8. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП

Для подтверждения выявленной закономерности (зависимость наведенного напряжения на проводе ЛЭП от соотношения расстояния между электровозами и длины ЛЭП) были проведены аналогичные расчеты наведенного напряжения на проводах реальных ЛЭП, проходящих вблизи действующих участков железной дороги, электрифицированной на переменном токе. Схемы сближения показаны на рис.9. Отличие этих расчетов от расчетов на модели было в том, что участки сближения реальных линий часто располагаются ближе к одному из концов участка железной дороги (рис.9 б-д). Сближение влияющих участков железной дороги с выбранными линиями было приведено к параллельному.

Данные, используемые в расчетах: сопротивление грунта; коэффициент защитного действия рельса; ток, потребляемый каждым электровозом - имели те же значения, что и при первоначальном моделировании. Параметры сближения отключенных и заземленных по концам линий электропередачи с участками железной дороги представлены в табл.2.

Результаты теоретического исследования наведенного напряжения на проводах реальных линий также показали, что, когда расстояние между электровозами, движущимися по однопутному участку железной дроги, больше или равно 35% от полной длины ЛЭП, уровень наведенного напряжения на ее проводе не превышает максимального значения этой величины в случае, когда по участку проходит один электроподвижный состав (рис.10-15).

а

Рис. 9. Параллельное сближение линий электропередачи с влияющими участками железной дороги

б

в

г

д

е

Таблица 2

Параметры участков сближения железной дороги и линий электропередачи

ЛЭП Влияющий участок железной дороги Сближение, км Длина ЛЭП (4т)э км Длина т. участка ж-д (U, км

ширина b длина

Ковда - Пояконда Княжая - Полярный круг 3.0 20.2 21.0 60.0

Пояконда - Полярный круг Княжая - Полярный круг 3.0 17.4 18.2 60.0

Апатиты - Хибины Апатиты - Оленегорск 1.0 13.0 13.2 73.0

Белое море - Кандалакша Белое море - Полярные зори 0.8 16.2 17.7 40.0

Княжая - Княжегубская Княжая - Белое море 2.0 7.9 7.9 40.0

Хибины - Имандра Апатиты - Оленегорск 1.5 19.7 19.7 73.0

а

б

4л—'0.3-/лэп_6.3 км

4л-°.35-/лэп-7.35 км

в

Рис.10. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП Ковда - Пояконда

Расстояние, равное 35% от длины линии электропередачи, проходящей вблизи участка железной дороги переменного тока, в некоторых случаях (если линия имеет небольшую длину) не превышает значения минимального допустимого расстояния между поездами, проходящими в одном направлении пакетом. Последний параметр определяется межпоездным интервалом t^ (минимальный промежуток времени, разграничивающий поезда при следовании по перегонам на участках с автоблокировкой). Он необходим для гарантии безопасного следования по перегонам одного поезда вслед за другим и создания условий, обеспечивающих нормальные скорости движения поездов. Значение межпоездного интервала изменяется в зависимости от скорости движения и массы состава. При электрической тяге интервалы между поездами, находящимися в одном пакете, могут быть доведены до 8-6 мин [3].

а

б

4л—'0.37лэп—5.46 км

4 6 8 10 12 14 16 18 L, к

4л=0.35-/пэп=6.37 км

4л=0.47лзп=7.28 км

Рис.11. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП Пояконда - Полярный круг

а б

4л—0.37пзп—3.96 км

4л—'0.357дэп—4.62 км

в

в

Рис.12. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП Апатиты - Хибины

а

б

4л—'О.З^лэп

4л—0.35^ЛЭП

в

Рис. 13. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП Белое море

а б

Кандалакша

1эл—0.Ъ'1л

/ЧП=0.35-/Л

в

V2 1 8 f-

/-1 сос тав

/

/

/

0 1 2 3 4 5 6 7 L, км

4л-'°.4^ЛЭП

Рис.14. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП Княжая - Княжегубская

а

б

>

/ \

7 \2 с ЗСТ ЭЕ

f-\ С( став

/

т

/

4л='О.З^лэп

4л=0.357.

ЛЭП

в

V2 со став

С став

/

/

/

°0 2 4 6 8 10 12 14 16 1S Цыд

4л=°.4^ЛЭП

Рис.15. Распределение наведенного напряжения на ЛЭП Хибины - Имандра

В таблице 3 представлены минимально допустимые расстояния между поездами S, идущими в одном направлении в пакете, в зависимости от межпоездного интервала tmn и скорости, с которой они движутся. Если принять среднюю скорость, с которой движется поезд по участку железной дороги, равной 70 км/ч, то расстояние между составами, идущими в одном направлении по одному пути, не должно превышать 7.0 км (при минимальном значении межпоездного интервала tmin=6 мин). Таким образом, можно определить, что из шести исследуемых реальных ЛЭП только на одной линии (Ковда - Пояконда) уровень наведенного напряжения во втором случае (когда по участку железной дороги проходят два электроподвижных состава) может превысить максимальный уровень напряжения, наведенного на этой линии в первом случае (на участке железной дороги находится один состав).

Таблица 3

Минимально допустимые интервалы между поездами

Время t, мин Минимально допустимое расстояние между поездами S, км

Уэа=60 км/ч Vn=70 км/ч Vn=80 км/ч =90 км/ч

6 6.0 7.0 8.0 9.0

7 7.0 8.2 9.3 10.5

8 8.0 9.3 10.7 12.0

Из таблицы 3 видно, что чем меньше скорость движения каждого поезда, тем меньше минимально допустимое расстояние между ними. Нами рассмотрен достаточно упрощенный вариант, когда электровозы движутся в одну сторону с одинаковой скоростью. В действительности скорость каждого электровоза меняется на всем пути следования в зависимости от сложности железнодорожной трассы, погодных условий, характера движения других составов на данном участке железной дороги и т.п.

Однако можно предварительно оценить, какой из случаев влияния для любого варианта сближения линии с железной дорогой будет наихудшим, используя данные из табл.3. Например, если величина минимально допустимого расстояния между составами окажется меньше величины, равной 0.35-/лэп, то тогда наиболее опасным будет первый случай влияния, когда по участку проходит один электроподвижный состав.

Выводы

1. Исследование двух случаев влияния сети железной дороги на смежную ЛЭП (движение одного и двух составов по однопутному участку) показало, что уровень наведенного напряжения на линии электропередачи, подверженной влиянию, зависит, кроме всего прочего, от количества составов на участке железной дороги и их взаимного расположения.

2. Предварительно оценить и сравнить оба случая влияния возможно при известной средней скорости движения составов по участку и межпоездном интервале tmin, которые определяют минимально допустимое расстояние между составами. При прочих равных условиях, если расстояние между составами не превышает 35% от полной длины ЛЭП, наихудшим будет случай влияния, когда по однопутному участку железной дороги движется один состав.

3. Чем длиннее линия электропередачи, тем выше вероятность того, что движение одного состава по участку железной дороги приведет к появлению более высокого уровня наведенного напряжения на проводах ЛЭП, в отличие от движения по данному участку двух составов, каждый из которых потребляет такую же мощность, что и одиночный состав.

Литература

1. Залесова О.В., Якубович М.В. Исследование защитного действия рельсов на однопутном участке железной дороги в зоне высокоомных грунтов // Труды КНЦ РАН. Энергетика. 2014. Вып. 8. С. 62-68.

2. Залесова О.В. Исследование уровня наведенного напряжения на отключенной линии электропередачи, находящейся в зоне влияния тяговой сети железной дороги переменного тока // Вестник МГТУ. 2014. Т. 17, N° 1, С. 40-45.

3. Бобровников Я.Ю. Электрические железные дороги: учеб. пособие.

Хабаровск: ДВГУПС, 2010. 79 с.

Сведения об авторах

Залесова Ольга Валерьевна,

младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: Drozdova_nord@mail.ru

Якубович Марина Викторовна,

научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и технологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А эл. почта: yakubovich@ien.kolasc.net.ru