Внедрение единой автоматизированной системы мониторинга и учета электроэнергии на фидерах контактной сети и ЭПС - первый шаг к созданию «Интеллектуальной» сети тягового электроснабжения

Как показывают расчеты, потери электроэнергии в пусковом реостате электровоза составляют значительный процент от общего уровня расхода электроэнергии, поэтому в пути следования нежелательно допускать большое количество остановок, особенно с большой массой состава или на подъемах, а также значительное снижение скорости с выходом на реостатные позиции.

600

кВт.ч

400

АЕ»

300

200

100

\ 1 V

2

3 7 Л

300

350

400

450

500

550

А

650

/п,

Рисунок 10 - Зависимость потерь энергии в пусковом реостате от среднего значения пускового тока

с массой состава 5000 т

Приведенные результаты анализа работы электровозов постоянного тока с различной толщиной бандажа позволяют сделать следующее заключение:

изменение толщины бандажа не влияет на расход электроэнергии электровозом при работе на безреостатных позициях;

при разгоне на реостатных позициях уменьшение толщины бандажа вызывает снижение потерь энергии в пусковых реостатах электровоза при условии, что разгон осуществляется с одинаковыми пусковыми токами и скорость выхода на безреостатную характеристику одинакова;

увеличение среднего пускового тока электровоза вызывает снижение потерь энергии в пусковом реостате при любой толщине бандажа.

0

УДК 621.331

Ю. Н. Король, Ю. А. Чернов

ВНЕДРЕНИЕ ЕДИНОИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ФИДЕРАХ КОНТАКТНОЙ СЕТИ И ЭПС - ПЕРВЫЙ ШАГ К СОЗДАНИЮ «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ» СЕТИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В статье изложено видение авторов на развитие автоматизированных систем учета электрической энергии ОАО «РЖД» с целью энергосбережения и повышения энергетической эффективности использования

06301360

электроэнергии на тягу поездов, использование существующего функционала системы. Приведены основные тренды развития автоматизированных систем учета электроэнергии.

ОАО «РЖД» является одним из крупнейших потребителей электроэнергии в России. 6% всей вырабатываемой электроэнергии в стране приходится на долю ОАО «РЖД». Потребление ОАО «РЖД» составляет более 46 млрд кВтч в год, из них на тягу поездов расходуется более 39 кВтч млрд в год, что составляет более 80 % от общего объема потребления электроэнергии компанией. 77 % объемов перевозок осуществляется с использованием электрической тяги. Компания имеет более 40000 км железнодорожных линий, электрифицированных на постоянном и переменном токе, 1410 тяговых подстанций, расположенных по всей территории Российской Федерации. Передача электроэнергии от тяговых подстанций к электроподвижному составу (ЭПС) ведется посредством тяговой сети, включающей в себя контактную сеть и рельсы.

Токораспределение в контактной сети зависит от множества факторов, таких как схема питания участка, секционирование контактной сети, межпоездной интервал, профиль пути, уровень питающего напряжения на первичных шинах тяговых подстанций и т. д.

Для учета объемов электрической энергии, используемой для питания ЭПС и нетяговых потребителей, в ОАО «РЖД» функционирует автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии ОАО «РЖД» (далее - АСКУЭ ОАО «РЖД»), которая представляет собой многоуровневую систему сбора, передачи, обработки, хранения и обмена данными об электропотреблении и включает в себя ряд подсистем:

АСКУЭ оптового рынка электроэнергии, обеспечивающая коммерческий учет электроэнергии на более чем 1400 тяговых и районных подстанциях ОАО «РЖД». Подсистема включает в себя более 24 тыс. точек учета;

АСКУЭ железнодорожных узлов, обеспечивающая учет электроэнергии на 168 узлах -предприятиях и структурах хозяйств железных дорог, объединенных электрическими сетями 6-10 и 0,4 кВ. Подсистема включает в себя более 29 тыс. точек учета;

АСКУЭ розничных рынков электроэнергии, обеспечивающая коммерческий учет электроэнергии на границах балансовой принадлежности электрических сетей ОАО «РЖД» 0,4 кВ. Подсистема является крупнейшей по количеству охваченных точек учета электроэнергии и включает в себя более 238 тыс. информационно-измерительных комплексов;

центры планирования и контроля электропотребления, организованные на 15 железных дорогах и на уровне ОАО «РЖД», представляющие собой комплекс программно-аппаратных средств, выполняющих следующие функции: мониторинг работоспособности АСКУЭ ОАО «РЖД», контроль небалансов электроэнергии на тяговых подстанциях, прогнозирование потребления и передачи электроэнергии, формирование различных управленческих форм отчетности, передаваемых смежным организациям.

Огромная протяженность и территориальная распределенность сетей ОАО «РЖД», значительное различие в географической концентрации точек учета электроэнергии (от крупных поселений до отдельно стоящих объектов) послужили поводом для проработки особых программно-технических решений для учета электроэнергии, накопления массива данных об энергопотреблении, консолидированной обработки и анализа полученной информации.

На информационно-вычислительных уровнях подсистем АСКУЭ ОАО «РЖД» развернуты программные комплексы (ПК) с большими функциональностью, адаптивностью, гибкостью.

Интерфейс программного комплекса (далее - ПК) АСКУЭ может быть настроен в соответствии с индивидуальными потребностями пользователя.

В ПК предусмотрена возможность гибкого расширения набора выполняемых функциональных задач.

Однако АСКУЭ ОАО «РЖД» не решает вопрос оперативного мониторинга распределения электроэнергии в контактной сети, от которой потребляется более 80 % электроэнергии, что в свою очередь не позволяет корректировать уровень небаланса электроэнергии в контактной сети.

Снижение небаланса электроэнергии в контактной сети - одна из серьезных текущих задач ОАО «РЖД» (рисунок 1), небаланс обусловлен разницей между данными, полученными со счетчиков электроэнергии, установленных на ЭПС, и данными, полученными со счетчиков электроэнергии тяговых подстанций.

|яговая подстанций Тяговая подстанция

Рельс

Рисунок 1 - Схема небаланса электроэнергии в контактной сети

Другим инструментом, на основе которого возможно было бы осуществлять мониторинг распределения электроэнергии в контактной сети, является система учета электроэнергии на ЭПС с привязкой к шкале времени и координат, обладающая высокой дискретизацией измерений. Однако на сегодняшний день учет электроэнергии на ЭПС несовершенен и не позволяет использовать его для решения указанной задачи.

На учет объемов потребленной ЭПС электроэнергии влияет человеческий фактор, отсутствует автоматизация методологии расчета расхода электроэнергии на тягу на основе фактических данных, небаланс электроэнергии определяется расчетным методом.

Такой мощный и динамичный приемник электроэнергии, как современный электровоз, должен быть оборудован средством учета электроэнергии, комплексно решающим следующие задачи:

учет электроэнергии с заданным классом точности по всем элементам измерительного канала на тягу, собственные нужды, отопление/кондиционирование и рекуперацию с персональной ответственностью машинистов за каждую поездку, с поощрением их за экономию электроэнергии;

учет электроэнергии на ЭПС с привязкой к географическим координатам и времени с использованием технологий GLONASS, GPS и отображением ситуации на интерактивных картах с целью контроля ситуации в режиме реального времени по принципу SCADA-систем;

регистрацию расхода электроэнергии по маршруту следования ЭПС (включая остановки, ограничения по движению) для возможности анализа каждой поездки и причин отклонения режима ведения поезда по расходу электроэнергии от оптимального;

автоматизированный учет электроэнергии раздельно по границам субъектов РФ, железных дорог, а также в прочих тарифных зонах.

При отсутствии контроля невозможно повышение эффективности распределения и потребления любых ресурсов, в том числе и электроэнергии, поэтому при решении вопросов определения фактической природы возникновения небаланса, повышения энергоэффективности тягового электроснабжения в целом необходимо создание единого инструмента для

анализа энерговзаимодействия тяговой сети и ЭПС с возможностью диагностики работы основных устройств тягового электроснабжения.

Подобная система должна быть адаптивной к реализации новых функций. Для этого она должна отвечать современным требованиям, предъявляемым к автоматизированным системам: открытость, модульность, соответствие стандартам, масштабируемость, платформенная независимость, взаимозаменяемость, интероперабельность (аппаратно-программная совместимость). Система должна выполнять функции измерения в соответствии с требованиями предъявляемыми к коммерческому учету, контроля параметров качества электроэнергии, выявления потерь электрической энергии в контактной сети, оценки энергоэффективности системы тягового электроснабжения и потенциала ее повышения.

Функции регистрации аварийных режимов в системе тягового электроснабжения уже сейчас можно реализовать на базе многофункциональных микропроцессорных терминалов, установив их на силовом оборудовании и фидерах контактной сети.

В качестве решения, удовлетворяющего указанные выше требования предлагается рассмотреть создание автоматизированной системы мониторинга и учета электроэнергии системы тягового электроснабжения (АСМУЭ ТЭ), которая состоит из двух подсистем (рисунок 2):

автоматизированной системы мониторинга и учета электроэнергии на фидерах контактной сети (АСМУЭ ФКС);

автоматизированной системы учета электроэнергии на электроподвижном составе (АСУЭ ЭПС).

Рисунок 2 - Автоматизированная система мониторинга и учета электроэнергии системы тягового электроснабжения

Реализация АСМУЭ ТЭ позволит с высокой точностью определить уровень фактических потерь электроэнергии в тяговой сети и удельного расхода электроэнергии на тягу поездов в границах межподстанционных и тарифных зон, плеч обслуживания локомотивных бригад.

Наличие данных АСМУЭ ТЭ позволит оперативно принимать решения о необходимости обследования участков тяговой сети, усиления элементов контактной сети, послужит основой для разработки инструкций машинистам локомотивов, направленных на повышение эффективности использования электроэнергии на тягу поездов, позволит исключить из структуры небаланса электроэнергии на тягу поездов долю потерь электроэнергии, обусловленных погрешностью учета электроэнергии, и определить средние значения уравнительных токов в контактной сети межподстанционных зон.

Обеспечение мониторинга местоположения электроподвижного состава с помощью технологии ГЛОНАСС и GPS в режиме реального времени позволит довести уровень небаланса электроэнергии на тягу поездов до величины технологических потерь. Таким образом, ожидаемое снижение уровня небаланса электроэнергии на тягу поездов при внедрении современных систем учета электроэнергии на ЭПС с учетом снижения небаланса за счет внедрения АСМУЭ ФКС может составить в среднем до 3,8 %.

Важным моментом в повышении энергоэффективности является проведение мероприятий, предусматривающих управляющие воздействия на режимы работы системы тягового электроснабжения.

Прототипом предлагаемой АСМУЭ ТЭ за рубежом являются передовые технологии Smart Grid.

Технология Smart Grid («интеллектуальные» сети) представляет собой систему, оптимизирующую энергозатраты, позволяющую перераспределять электроэнергию. «Интеллектуальные» сети состоят из комплексов технических средств, позволяющих оперативно менять характеристики электрической сети. На технологическом уровне происходит объединение электрических сетей, потребителей и производителей электричества в единую автоматизированную систему, которая в реальном времени позволяет отслеживать и контролировать режимы работы всех участников процесса.

Ежегодно при передаче теряется огромное количество электроэнергии: в Японии - 5 % от общего объема, в Западной Европе - 4 - 9, в США - 7 - 9, в Российской Федерации объем потерь составляет более 14 %.

Использование «интеллектуальных» сетей позволяет не только значительно сократить потери, но более эффективно использовать имеющуюся энергию, интегрировать и распределять энергию от альтернативных источников, в автоматическом режиме диагностировать возникающие проблемы, сократить затраты энергоресурсов, сократить выбросы в атмосферу углекислого газа.

Главным преимуществом технологии является двусторонняя связь с потребителем электроэнергии. Технология Smart Grid действует через систему «интеллектуальных» счетчиков, установленных на предприятиях, в квартирах и т. д., которые передают информацию о потреблении энергии, что позволяет распределить электричество в зависимости от потребности. В свою очередь все это позволит потребителю значительно снизить расходы на электроэнергию.

В некоторых штатах США проводились работы по созданию «интеллектуальных» сетей. В результате снизились пиковые нагрузки на электросеть, в среднем на 10 % уменьшились счета за электричество (при этом его стоимость увеличилась на 15 %). С 2007 г. создание системы Smart Grid - один из национальных приоритетов Соединенных Штатов. По экспертным оценкам использование системы Smart Grid к 2020 г. позволит США сэкономить около 1,8 трлн долларов за счет снижения потребления энергии и повышения надежности элетро-сетей.

На сегодняшний день наиболее активно и полномасштабно технология Smart Grid развивается и распространяется в Дании. В большей степени это связано с тем, что именно в этой стране значительное количество энергии поступает из альтернативных источников (20% от общего объема выработанной энергии вырабатывается с помощью ветра).

На территории Российской Федерации начинают появляться предпосылки к созданию Smart Grid. Так, на встрече Председателя Правительства Российской Федерации В. В. Путина

06301360

и председателя правления ОАО «Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы» («ФСК ЕЭС») О. Бударгиным 17 февраля 2010 г. активно обсуждалась перспектива внедрения «интеллектуальных» сетей на объектах ФСК ЕЭС.

В качестве предшественников реализации концепции Smart Grid в энергетике транспортной отрасли можно выделить исследования, выполненные специалистами Трансэнерго -филиала ОАО «РЖД» - и учеными МИИТа в границах Западно-Сибирской железной дороги — филиала ОАО «РЖД», а также учеными МИИТа и ВНИИЖТа в Московском метрополитене.

В частности, на Филевской линии Московского метрополитена с целью исследования возможности применения рекуперативного торможения специалистами МИИТа, ВНИИЖТа с привлечением специалистов служб электроподвижного состава, электроснабжения, сигнализации и связи была разработана специальная методика, включающая в себя выполнение ряда работ по проверке влияния токов рекуперации вагонов ЭПС на функционирование устройств систем обеспечения безопасности движения поездов и маршрутно-релейной централизации; исследованы показатели работы тяговых подстанций и функционирования ЭПС в режимах реостатного и рекуперативного торможения, последовательное включение в режим рекуперативного торможения как во времени, так и по количеству ЭПС, проводился постоянный мониторинг состояния СТЭ, ЭПС, систем обеспечения безопасности движения поездов и расхода энергопотребления. Путем осциллографирования производились замеры токов, напряжений ЭПС и тяговых подстанций и их детальный анализ с последующим моделированием различных поездных ситуаций. Исследования показали, что внедрение рекуперативного торможения ЭПС в настоящих условиях Московского метрополитена является безопасным и эффективным средством энергосбережения, в результате которого уже сейчас на Филевской линии экономится порядка 15 — 20 % от электроэнергии, идущей на тягу поездов.

Анализ показателей работы системы тягового электроснабжения железнодорожного транспорта основывается на сборе и обработке данных работы силового оборудования тяговых подстанций (ТП). В частности, речь идет о мониторинге напряжений и потребляемых токов тяговых агрегатов в режиме реального времени. Такую возможность в настоящее время может предоставить автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии ОАО «РЖД» (АСКУЭ).

АСКУЭ представляет собой многоуровневую систему, представленную в виде

уровня информационно-измерительного комплекса (ИИКа), состоящего из счетчиков электроэнергии, измерительных трансформаторов тока и напряжения, вторичных коммутационных цепей;

информационно-вычислительного комплекса электроустановки (ИВКЭ) подстанций;

информационно-вычислительных комплексов уровня железных дорог и уровня ОАО «РЖД».

ИИКа АСКУЭ ОАО «РЖД» устанавливаются на вводах тяговых подстанций, вводах распределительных устройств тяговых подстанций, отходящих фидерах распределительных устройств.

Следует отметить, что существующая в настоящее время АСКУЭ используется по ее прямому назначению — это учет расхода электроэнергии. Однако при некоторой модернизации программного обеспечения возможности АСКУЭ значительно расширяются посредством изменения функциональных задач на программном уровне АСКУЭ в составе счетчиков электрической энергии с цифровыми интерфейсами, а также коммуникационного сервера опроса УСПД регионального центра энергоучета на диспетчерском круге, в результате чего в режиме реального времени появляется возможность получения данных по фазным напряжениям, частоте и токам тяговых агрегатов на первичной стороне 10 кВ, которые впоследствии позволят получить данные по полной и активной мощности агрегатов, а также данные по расходу активной и реактивной энергии.

Специалистами Трансэнерго — филиала ОАО «РЖД» — и МИИТа был произведен анализ показателей работы системы тягового электроснабжения участка Тайга — Мариинск Западно-

Сибирской железной дороги, в частности, речь идет о мониторинге напряжений и потребляемых токов тяговых агрегатов в режиме реального времени. На девяти тяговых подстанциях был задействован имеющийся резерв вычислительных ресурсов АСКУЭ ОАО «РЖД».

Посредством изменения функциональных задач на программном уровне АСКУЭ ОАО «РЖД» были получены данные по полной и активной мощности агрегатов, а также данные по расходу активной и реактивной энергии. Опрос по показателям электропотребления на девяти тяговых подстанциях производился раз в минуту (в промышленной эксплуатации опрос производится один раз в 30 мин). В результате данной работы была накоплена информационная база, позволяющая проводить анализ распределения токов по присоединениям тяговых подстанций при наличии рекуперирующих ЭПС на фидерной зоне и при их отсутствии, характера изменения распределения мощностей по данным подстанциям и характера их загрузки и др.

Проведенная работа позволяет, в том числе, анализировать данные о токораспределении в системе тягового электроснабжения, оценивать уровень загрузки оборудования и тем самым приближенно оценивать сроки службы электрооборудования, благоприятные и неблагоприятные факторы рекуперативного торможения. Проведенная работа позволила сделать следующие выводы.

1) Анализ распределения токов и напряжений позволяет говорить о том, что на всех тяговых подстанциях частота меньших значений токов в период интенсивной рекуперации больше, чем в период без рекуперации. С другой стороны, частота больших напряжений в период интенсивной рекуперации больше, чем в период без рекуперации. Это говорит о том, что все подстанции «разгрузились», так как больше находились без нагрузки или нагрузка была снижена, что привело к уменьшению падения напряжения на внутреннем сопротивлении тяговой подстанции и повышению напряжения на шинах, а значит, и в тяговой сети (установление напряжения в тяговой сети на уровне номинальных значений повышает КПД ЭПС). Так как работа, выполненная на рассматриваемом участке, практически не изменилась, а характер потребления изменился в сторону большей загрузки, можно говорить о том, что с участка исчез дополнительный источник энергии, каковым являлись все рекуперирующие поезда.

2) Характер изменения распределения мощности позволяет утверждать, что на ТП «Яя», «Ижморская», «3704» основное потребление происходит в области малых значений мощности, что может говорить о том, что основное потребление в области холостого хода тяговой подстанции, а при дальнейшем росте тока большую нагрузку начинают брать на себя соседние подстанции. В отсутствие рекуперации вследствие подгрузки соседних подстанций и уменьшения напряжения на их шинах ТП «Яя», «Ижморская», «3704» начинают отдавать больше энергии. С другой стороны, ТП «Антибесская», «Берикульская», «Судженка», «Пихтач», «Тайга» выполняют более интенсивное электроснабжение. Графики распределения их мощностей более близки к нормальному закону с математическим ожиданием в средней области оси абсцисс. Стоит отметить, что на ТП «Судженка» наблюдаются более частые пики фиолетового цвета правее условного центра графика по оси абсцисс, т. е. в период интенсивной рекуперации, что может говорить об отдаче тех же значений тока при большем напряжении, что подтверждает предположение о взятии на себя части нагрузки подстанции «Яя».

3) Анализ графиков температуры говорит о незначительном увеличении температуры, что подтверждает небольшой рост загрузки подстанций, но этот рост не оказывает существенного влияния на срок службы трансформаторов и выпрямительных агрегатов.

4) Неблагоприятным фактором рекуперации без применения дополнительных мер можно считать ухудшение коэффициента формы кривой тока тяговой подстанции из-за увеличения числа импульсов. Вероятностный характер графика движения поездов и различия в режимах ведения ЭПС в силу «человеческого фактора» делают кривую тока тяговой подстанции несколько более равномерной из-за наложения пусковых и тяговых режимов ЭПС по всем фидерам. При рекуперации потребление тока от подстанции уменьшается в момент торможения

06301360

ЭПС в «зоне действия» ТП, что и приводит к дополнительному провалу тока подстанции. Ухудшение коэффициента формы приводит к росту эффективного значения тока и увеличению потерь электрической энергии.

На основе приведенной информации можно с уверенностью сказать, что АСКУЭ ОАО «РЖД» является незаменимым инструментом, позволяющим успешно осуществлять деятельность как по покупке электроэнергии для собственных нужд, так и по передаче электроэнергии сторонним потребителям по своим сетям с учетом правил и норм функционирования оптового и розничных рынков электроэнергии.

Эта система с заложенным в нее резервом развития функционала является прообразом автоматизированных систем обратной связи для «интеллектуальных» систем тягового электроснабжения.

Однако для решения задач ОАО «РЖД» по снижению небаланса электроэнергии в контактной сети, повышению энергоэффективности тягового электроснабжения как области с наибольшими потенциалом энергосбережения, получению новых возможностей для корректировки режимов автоведения с учетом режимов работы тяговой сети в режиме реального времени, расположения ЭПС на фидерной зоне, дистанционной диагностике остаточного ресурса высоковольтного оборудования тягового электроснабжения необходим принципиально новый инструмент учета и мониторинга электроэнергии, установленный на фидерах контактной сети и подвижном составе и работающий в единой системе обеспечения времени и координат.

Список литературы

1. Непомнящий, В. А. Надежность в задачах развития, управления и эксплуатации электроэнергетических систем и электрических сетей в условиях рыночных отношений и управление качеством электроэнергии в электрических сетях ОАО «РЖД» (методы, модели и практика расчетов) [Текст] / В. А. Непомнящий, В. А. Овсейчук, С. Н. Епифанцев. - М.: Эко-Пресс, 2010. - 208 с.

2. Король, Ю. Н. Автоматизация оценки величины уравнительного тока в тяговой сети системы 25 кВ [Текст] / Ю. Н. Король, Ю. А. Чернов // Неделя науки-2007. Наука МИИТа -транспорту / Московский гос. ун-т путей сообщения. - М., 2007.

3. Чернов, Ю. А. Метод оценки величины уравнительного тока в тяговой сети системы 25 кВ по замерам величины и фазы токов плеч питания [Текст] // Ю. А.Чернов, А. Н. Шешин, З. Ю. Помельникова // Железнодорожный транспорт. Электроснабжение железных дорог / ЭИ/ЦНИИТЭИ МПС. - 2001. - Вып. 2 - С. 1 - 13.

4. Экспериментальная оценка эффективности рекуперации энергии торможения в СТЭ Московского метрополитена [Текст] / Л. А. Баранов, В. А. Гречишников и др.// Безопасность движения поездов: Труды науч.-практ. конф. / Московский гос. ун-т путей сообщения. - М., 2009. - С. У1-14 - У1-15.

5. Черемисин, В. Т. Основные направления реализации Федерального Закона «Об энергосбережении...» № 261-ФЗ от 23.11.09 в холдинге «Российские железные дороги» [Текст] / В. Т. Черемисин, М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 2 (2). - С. 119 - 123.

6. Никифоров, М. М. Целевые показатели энергосбережения и повышения энергетической эффективности системы тягового электроснабжения и электропотребления на нетяговые нужды [Текст] / М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 3 (3). - С. 110 - 116.

7. Хряков, А. А. Снижение коммерческой составляющей потерь электрической энергии на тягу поездов на полигоне постоянного тока [Текст] / А. А. Хряков, М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 1 (5). - С. 42 - 45.

8. Чижма, С. Н. Пути повышения пропускной способности каналов передачи данных АСКУЭ [Текст] / С. Н. Чижма, А. Г. Малютин, Д. А. Серов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 2 (6). - С. 79 - 84.

УДК 621.311.4: 621.331

А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко, Е. А. Кротенко

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯТОРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В статье рассмотрены основные виды повреждения изоляторов контактной сети. Представлена математическая модель контактной сети с изолирующими элементам, в виде выражений, описывающих длинную линию с распределенными параметрами. Предложены пути реализации методики и технических средств диагностирования изоляторов контактной сети постоянного тока.

В настоящее время срок эксплуатации большей части силового электрического оборудования тяговых подстанций России составляет не менее 25 лет, т. е. больше нормативного срока службы. Замена оборудования связана со значительными финансовыми затратами и происходит крайне медленно. Длительная эксплуатация электрооборудования приводит к ухудшению диэлектрических свойств высоковольтной изоляции и отказам.

Значительные динамические удары и вибрации в момент прохода электроподвижного состава способствуют быстрому старению изоляторов контактной сети по сравнению с изоляторами линий электропередач. При наличии запаса по электрической прочности полное повреждение одного из изоляторов в гирлянде может не вызывать сразу нарушения нормальной работы контактной сети. Однако постепенное накопление дефектных изоляторов ведет к перекрытиям, особенно в грозовой период, и нарушению графика движения поездов.

Основными видами повреждений изоляции контактной сети являются перекрытия изоляторов из-за их загрязнения, пробои изоляторов из-за нарушения изоляционной части, перекрытия изоляторов птицами, механические изломы стержневых изоляторов. Этим повреждениям способствуют скрытые дефекты изоляторов, наличие влаги в атмосфере и попадание ее в армировку изолятора, нагрев изоляторов солнечными лучами, загрязнение атмосферы различными химическими веществами, по которым происходит поверхностное перекрытие. Анализ распределения отказов в узлах изоляции по времени суток показывает, что практически большинство их (84 - 86 %) происходит в светлое (солнечное) время, т. е. когда осуществляется сначала нагрев (с 6 до 15 часов), а затем охлаждение (с 16 до 22 часов) материалов изолятора, имеющих различные коэффициенты линейного расширения (11-10-6 - для серого чугуна, 3-10-6 - для фарфора) [10]. Опыт эксплуатации показал, что срок надежной работы стержневого фарфорового изолятора не превышает 15 - 20 лет, после чего его необходимо заменить, иначе снижение механической прочности фарфора приводит к изломам изолятора.

Контактную сеть постоянного тока с изолирующими элементами принято рассматривать в виде линии с распределенными параметрами. Для решения задачи контроля изолирующих элементов и оперативного определения места их повреждения необходимо использовать современный математический аппарат, элементы моделирования с целью постановки и реализации измерительного эксперимента.

Поскольку каждый элемент гирлянды изоляторов обладает емкостью и проводимостью, напряжение вдоль линии распространяется неравномерно. В качестве расчетной берется модель однородной двухпроводной линии, описываемая выражениями:

06301360