Расчет опасных влияний тяговой сети переменного тока на смежные линии СЦБ

УДК 621.311

О. В. Залесова

РАСЧЕТ ОПАСНЫХ ВЛИЯНИЙ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА СМЕЖНЫЕ ЛИНИИ СЦБ

Аннотация

Статья посвящена теоретическому исследованию электромагнитного влияния тяговой сети железной дороги переменного тока на смежные линии сигнализации, централизации и автоблокировки (СЦБ). Выполнены расчеты наведенного напряжения на проводах ВЛ-10 кВ СЦБ для двух режимов работы тяговой сети: режима короткого замыкания и вынужденного режима.

Ключевые слова:

электрифицированная железная дорога переменного тока, тяговый ток, наведенное напряжение.

78

O. V. Zalesova

CALCULATION OF DANGEROUS INFLUENCES OF AC ELECTRIC TRACTION NETWORK ON THE LINES OF SIGNALS AND INTERLOCKING

Abstract

The article is devoted to theoretical research of electromagnetic influence of AC railway on closely-spaced the overhead lines of signals and interlocking. Calculations of the inducted voltage on the wires of lines 10 kV are carried out for two operations: short-circuit conditions and forced state.

Keywords:

AC electric railway, traction currents, induced voltage.

Участки железных дорог, электрифицированных на переменном токе, представляют собой систему кабельных и воздушных линий, расположенных в непосредственной близости друг от друга. На показатели качества электроэнергии, которые регламентируются ГОСТ 32144-2013, непосредственным образом влияет значительное электромагнитное воздействие тяговой сети переменного тока [1, 2]. Анализ работы участков железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока, показывает, что наведенное напряжение на смежных линиях может приводить к тяжёлым травмам оперативного персонала, в том числе к смертельным случаям, выходу из строя электрооборудования.

Электромагнитное воздействие тяговой сети принято рассматривать как две составляющие: электрическую, обусловленную наличием электрического поля в пространстве, окружающем контактную сеть напряжением 27.5 кВ, и магнитную, которая в свою очередь определяется наличием магнитного поля, связанного с протеканием переменного тока в тяговой сети.

Целью настоящей работы являлось расчетное исследование электромагнитного влияния контактной сети переменного тока участка Октябрьской железной дороги (между станциями Белое море и Княжая) на линии сигнализации, централизации и автоблокировки (СЦБ) напряжением 10 кВ для двух режимов работы тяговой сети: режима короткого замыкания и вынужденного режима.

В связи с этим решались следующие задачи: построение схемы параллельного сближения линии ВЛ-10 кВ с тяговой сетью исследуемого участка железной дороги; расчетное определение значений токов короткого замыкания на межподстанционной зоне и наведенного напряжения на ВЛ-10 кВ с помощью программы ATP-EMTP, предназначенной для цифрового моделирования переходных явлений электромагнитного характера [3].

При построении схемы сближения и расчетной модели учитывались следующие данные исследуемых объектов: длина межподстанционной зоны Княжая - Белое море составляет 37 км; линии СЦБ ВЛ-10 кВ проходят по опорам контактной сети; марка проводов контактной сети - М-120 + 2МФ-100, линии - АС-35; высота подвеса контактного провода - 6 м, несущего троса - 7 м, провода ВЛ-10 кВ - 9.5 м; ширина сближения между проводом и ближайшим проводом контактной сети 5.25 м. На тяговых подстанциях ст. Княжая (т. ПС-1) и ст. Белое море (т. ПС-2) установлены по два тяговых трехфазных трансформатора типа ТДТНЖ - 40 МВА/110 кВ, один из которых резервный. Влияющий участок железной дороги является двухпутным.

На рисунке 1 представлена схема параллельного сближения двух линий СЦБ напряжением 10 кВ и контактной сети участка железной дороги Княжая - Белое море. Линии ВЛ-1 (I = 16 км) и ВЛ-2 (I = 21 км) расположены от тяговых подстанций ПС-1 и ПС-2 соответственно и сходятся в опорном пункте Жемчужная. При построении схемы учитывались транспозиции на линиях, таким образом межподстанционная зона первоначально была разбита на одиннадцать участков.

Режим короткого замыкания. Аварийный режим, при котором контактная сеть замыкается на землю (рельсы) называется режимом короткого замыкания. В этом случае влияющий ток короткого замыкания 1кз можно определить по известной формуле, А[4]:

1

ин -103

2и 2

1 и %

\ 5КЗ

1005

' 10 + ХКС ' ЬКЗ

н

+

2

где ин - номинальное напряжение на шинах тяговой подстанции, кВ;

- мощность короткого замыкания на стороне первичного напряжения тяговой подстанции, кВА; - номинальная мощность тяговой подстанции, кВА; ик - напряжение короткого замыкания тягового трансформатора, %; гкс - активное сопротивление 1 км тяговой сети, Ом/км; хкс - реактивное сопротивление 1 км тяговой сети, Ом/км; Ькз - расстояние от подстанции до места короткого замыкания, км.

В настоящей работе определение токов короткого замыкания осуществлялось с помощью расчетной модели, построенной в программе АТР-ЕМТР (рис. 2). Межподстанционная зона Княжая - Белое море для модели была разбита на двенадцать участков (для удобства расчета участок №8 по схеме сближения представлен в виде двух участков, по 3 км каждый), по концам и между которыми поочередно выполнялся режим короткого замыкания (на рельсы) в контактной сети.

Результаты расчетных исследований представлены на рисунке 3 в виде гистограммы, отображающей величины токов в контактной сети в зависимости от места, где произошло короткое замыкание.

Так как токи короткого замыкания достигают наибольших значений по краям зоны питания, то расчеты величин опасных напряжений проводились при коротких замыканиях в районах тяговых подстанций т. ПС-1 и т. ПС-2, а также при минимальном значении тока 1кз, характерного для середины зоны питания. Результаты расчетов наведенного напряжения на линиях ВЛ-10 кВ СЦБ представлены в виде графиков на рисунках 4 и 5.

Анализ результатов расчетов показал, что при данном режиме тяговой сети наведенное напряжение достигает наибольших значений на отключенной линии ВЛ-1 (на десятом километре от начала линии), когда место короткого замыкания находится в начале зоны питания (т. ПС-1), на ВЛ-2 (на тринадцатом километре от начала линии), наоборот, когда место короткого замыкания находится в конце зоны питания (т. ПС-2). Такое распределение наведенного напряжения на линиях связано с их расположением относительно влияющего участка железной дороги.

Рис.1. Схема параллельного сближения линий СЦБ ВЛ-10 кВ и контактной сети участка железной дороги Княжая - Белое море

Рис.2. Расчетная модель схемы сближения ВЛ-10 кВ СЦБ и влияющего участка

железной дороги

Княжая - Белое море для режима короткого замыкания контактной земли

на рельсы:

1 - ключ замыкания; 2 и 3 - источники питания на т. ПС-1 и т. ПС-2 соответственно; 4 - устройство измерения напряжения на проводах линий ВЛ-10 кВ

I,

Рис.3. Величины токов короткого замыкания на межподстанционной зоне

Княжая - Белое море

При минимальном токе короткого замыкания в тяговой сети 1кз = 2.3 кА уровень наведенного напряжения на проводах обоих линий СЦБ также принимает значительные величины. Максимальное значение наведенного напряжения в этом случае на ВЛ-1 достигает иВЛ-1 = 3.8 кВ (на десятом километре от начала линии), на ВЛ-2 - иВЛ-2 = 7.6 кВ (на шестнадцатом километре от начала линии).

1

3

2

Ь, км 16

2 4 6 3 10 12

место короткого замыкания:

1 — в начале зоны питания вблизи т. ПС-1;

2 в середине зоны питания;

3 в конце зоны питания вблизи т. ПС-2

14

Рис 4. Распределение наведенного напряжения на ВЛ-1

3

/ 31 ---- ч

2 л

//

/

Ь, км

3 6 9 12 15 18

место короткого замыкания:

1 — в начале зоны питания вблизи т. ПС-1,

2 в середине зоны питания;

3 в конце зоны питания вблизи т. ПС-2

21

Рис 5. Распределение наведенного напряжения на ВЛ-2

Вынужденный режим, при котором одна из тяговых подстанций временно отключается и ее нагрузку принимает одна или две смежные с ней подстанции. Это приводит к изменению принятой схемы питания тяговой сети на рассматриваемом участке железной дороги.

В настоящей работе рассматривались два варианта, когда тяговые подстанции ПС-1 и ПС-2 попеременно отключаются и токи в контактной сети участка железной дороги Княжая - Белое море протекают в одном направлении по всей длине межподстанционной зоны. Для каждого случая были построены расчетные модели в программе АТР-ЕМТР, одна из них представлена на рис.6 (работает только т. ПС-1). Для расположения электроподвижного состава строго напротив середины ВЛ-1 участок №3 на схеме сближения был разбит на два участка.

Расчеты наведенного напряжения на линиях СЦБ проводились при среднестатистической нагрузке в контактной сети двухпутного участка 1кс = 1000 А. Удельное сопротивление грунта было принято равным р = 1000 Ом-м (для района Мурманской области характерны грунты с низкой проводимостью), сопротивление заземления ВЛ в месте ремонта (заземляются все три фазы) - 30 Ом.

Теоретическое исследование наведенного напряжения на каждой представленной линии СЦБ проводилось для трех случаев расположения нагрузки в контактной сети:

- начало участка сближения ВЛ с железной дорогой;

- середина участка сближения ВЛ с участком железной дороги;

- конец участка сближения ВЛ с железной дорогой.

Так же как и при моделировании режима короткого замыкания, в данном исследовании линии СЦБ были отключены и заземлены по концам.

На рис.7 и 8 представлены результаты расчетов наведенного напряжения на линиях ВЛ-1 и ВЛ-2 для двух вариантов вынужденного режима тяговой сети участка железной дороги Княжая - Белое море.

Анализ результатов расчетов показал, что наибольшие значения наведенного напряжения на ВЛ-1 и ВЛ-2 наблюдается, когда нагрузка находится в середине участка сближения ремонтируемой линии (для которой проводился расчет) и влияющего участка железной дороги (далее участок сближения). Для линии ВЛ-1 максимальное значение наведенного напряжения составило ит. ПС-1 = 480 В, когда работает только т. ПС-1 и ит. ПС-2 = 517 В в случае, когда нагружена т. ПС-2. Аналогично для ВЛ-2: ит. ПС-1 = 645 В и ит. ПС-2 = 669 В.

Величина наведенного напряжения не превышающего допустимый уровень - 25 В на проводах ремонтируемых линий наблюдается в месте ремонта - середине линии, когда нагрузка находится в конце участка сближения при питающей т. ПС-1 и также, когда нагрузка находится в начале участка сближения при питающей т. ПС-2.

В остальных случаях (на диаграммах они не представлены), когда питание осуществляется с т. ПС-1 и нагрузка находится в начале участка сближения, а также напротив - когда питание поступает от т. ПС-2 и нагрузка находится в конце участка сближения, уровень наведенного напряжения на обеих линиях СЦБ (на протяжении всей их длины) не превышает нескольких единиц вольт.

В каждом рассмотренном случае распределение наведенного напряжения связано с расположением линии относительно участка железной дороги и соответствующим распределением тока в контактной сети.

Рис.6. Расчетная модель схемы сближения ВЛ-10 кВ СЦБ и влияющего участка

железной дороги Княжая - Белое море для вынужденного режима: 1 - электроподвижный состав; 2 - источник питания на т. ПС-1; 3 - устройство измерения напряжения на проводах линий ВЛ-10 кВ

а) и. В

500 400 300 200 100 0

0

/ \

/ \

/ 2 \ ч

У V

3

12 Ь, км

5) и. В

500 400 300 200 100 0

л 1

/ \

/ \

2 ( \ ч

/ \

1 -—

о

место расположения электроподвижного состава:

1 напротив начала ВЛ,

2 напротив середины ВЛ,

3 — напротив конца ВЛ

12 Ь, км

Рис.7. Диаграмма наведенного напряжения на линии ВЛ-1 СЦБ при вынужденном режиме работы тяговой сети. Питание межподстанционной зоны осуществляется от а) т. ПС-1 и б) т. ПС-2

место расположения электроподвижного состава:

1 напротив начала ВЛ;

2 напротив середины ВЛ;

3 — напротив конца ВЛ

Рис.8. Диаграмма наведенного напряжения на линии ВЛ-2 СЦБ при вынужденном режиме работы тяговой сети. Питание межподстанционной зоны осуществляется от а) т. ПС-1 и б) т. ПС-2

Выводы

Расчеты наведенного напряжения на проводах ВЛ-10 кВ СЦБ, вызванного электромагнитным влиянием железной дороги переменного тока Княжая - Белое море, показали, что во время работы тяговой сети в режиме короткого замыкания (независимо от того, где именно на межподстанционной зоне оно возникло) наведенное напряжение на проводах линий достигает опасных величин, которые могут привести к тяжёлым травмам оперативного персонала, в том числе к смертельным случаям, выходу из строя электрооборудования.

При вынужденном режиме работы тяговой сети распределение наведенного напряжения на ВЛ напрямую зависит от расположения нагрузки на межподстанционной зоне относительно питающей тяговой подстанции. Когда электроподвижный состав находится вблизи питающей т. ПС, величина наведенного напряжения на всем протяжении отключенных и заземленных в месте ремонта и по концам линий СЦБ составляет единицы вольт. В остальных случаях наведенное напряжение также как и в режиме короткого замыкания тяговой сети может значительно (в десятки раз) превышать безопасное значение - 25 В.

При рассмотрении вопросов о способах защиты от наведенного напряжения, во избежание несчастных случаев, работы на линиях СЦБ напряжением 10 кВ должны выполняться с применением основных и дополнительных средств защиты с соблюдением техники безопасности.

Литература

1. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В., Карпов А.С. Анализ результатов мониторинговых регистраций качества электроэнергии // Вестник МГТУ, 2014, том 17, №1. - С.67-76.

2. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В. Анализ регистрации показателей качества электроэнергии на шинах питающих подстанциях // Вестник МГТУ (Труды Мурманского государственного технического университета), 2009, том 12, №1. С. - 58-64.

3. Селиванов В.Н. Использование программы расчета электромагнитных переходных процессов АТР-ЕМТР в учебном процессе // Вестник МГТУ, том 12, №1, 2009 г. - С. 107-112.

4. Бессонов В.А. Электромагнитная совместимость: Учебное пособие. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. - 80 с.

Сведения об авторе

Залесова Ольга Валерьевна,

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