Функционирование рельсовых цепей при грозовых перенапряжениях

иркутским государственный университет путей сообщения

собственно определяющим использование объектов транспортной инфраструктуры. Транспорт, как один из ведущих элементов производственной инфраструктуры, с одной стороны, обеспечивает мобильность товаров и ресурсов, с другой - облегчает доступность территорий, предоставляя тем самым возможность свободного передвижения товаров, ресурсов и населения. В свою очередь, региональное социально-экономическое развитие является главной движущей силой развития спроса на услуги по перевозке пассажиров и грузов. Изменение структуры производства, растущая интернационализация коммерческой деятельности воздействуют на характер использования транспортной инфраструктуры и на развитие транспортного кластера в целом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Porter M. E. The Competitive Advantage of Nations. New York: The Free Press, 1990. 855 p.

2. Rosenfeld S. A. Industrial Strength Strategies: Regional Business Cluster and Public Policy. Washington, DC: The Aspen Institute, 1995. 183 p.

3. Schmitz H. On the clustering of small firms // IDS Bulletin. 1992. Vol. 23, № 3. Р. 55-66.

4.

5.

6.

Swann P. A comparison of the dynamics of industrial clustering in computing and biotechnology // Research Policy. 1996. №. 25. Р. 1139-1157. Simmie J. Innovation in the London Metropolitan Region: working paper // Innovative Clusteres and Competitive Cities in the UK and Europe. Oxford: Oxford Brookes School of Planning, 1999. Ch. 4. Van den Berg L., Growth Clusters in European Cities: An Integral Approach // Urban Studies. 2001. Vol. 38, №1. P. 186-206.

7. Трунова Н. А. Проблемные зоны использования кластерного подхода в России // Бюджет. 2009. №2. С. 11-16.

8. Кутьин В. М. Территориальная экономическая кластеризация (классификация) регионов России: социально-географический аспект // Безопасность Евразии. 2003. №1. С. 525-539. Андрианов А. Ю. Кластеры как инструмент развития некоммерческих организаций // Экономика региона. 2007. № 18.

10. Соколенко С. И. Промышленная и территориальная кластеризация как средство реструктуризации // Безопасность Евразии. 2002. № 1. С. 435-460.

9.

УДК 656.259.12 : 621.316.933 Митрохин Валерий Евгеньевич,

д. т. н., профессор, зав. каф. «Системы передачи информации», Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), тел. (3812)31-06-94

Гаранин Александр Евгеньевич,

к. т. н., доцент КрИЖТИрГУПС, тел. (3812)31-06-94, 8-923-272-94-86, e-mail: alexandergaranin@mail.ru

Ряполов Артем Владимирович,

аспирант каф. «Системы передачи информации» ОмГУПС, тел. (3812)31-06-94, e-mail: 1w2a3r4l5o6c7k8@mail.ru

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ ПРИ ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ

У.Е. Mitrokhin, A.E. Garanin, A. V. Ryapolov

OPERATION OF TRACK CIRCUIT UNDER ATMOSPERIC

OVERVOLTAGES

Аннотация. Атмосферные перенапряжения приводят к отказам систем интервального регулирования движения поездов. Значительная доля отказов от перенапряжений устройств СЦБ на перегоне приходится на воздействия перенапряжений со стороны рельсовых цепей, где рельсы являются связующей линией, по которой распространяется волна тока молниевого разряда. В данной работе представлена методика определения вероятности безотказной работы устройств СЦБ от грозовых перенапряжений, приходящих со стороны рельсовых цепей (РЦ), учитывающая

такие особенности железнодорожного участка, как род тока электротяги, грозовая интенсивность региона, предельная энергетическая способность УЗИП.

Ключевые слова: устройства СЦБ; рельсовые цепи; отказы; атмосферные перенапряжения; устройство защиты от импульсных перенапряжений.

Abstract. Atmospheric overvoltages lead to failures in railway signaling and interlocking systems. The most part of the failures which take place in these systems occurs because of overstrains coming from

Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_

ш

rails. In this case rails take role of conducting line, where lightning discharge current wave propagates. This paper presents probability calculation method of failsafe operation in railway automatics and telemechanics under atmospheric overvoltages coming from track circuit. The method considers such aspects as kind of electrical supply, thunderstorm activity in region and parameters of transient voltage surge suppressor (surge protective device) used in protection scheme.

Keywords: signals and interlocking, track circuit, circuit failure, atmospheric overvoltages, surge protective device.

Разветвленная сеть железных дорог проходит по огромной территории, пересекающей несколько климатических зон, характеризующихся природными контрастами, среди которых различия в грозовой активности. Кроме того, даже в пределах одного региона наблюдаются отличия в рельефе территории, геоэлектрическом строении грунтов, индивидуальных условиях местности, интенсивности движения поездов и виде электротяги, что, в свою очередь, связано с числом отказов систем СЦБ, когда при прочих равных условиях на одном участке не было зафиксировано повреждаемости от грозовых и коммутационных перенапряжений в течение длительного времени, а на соседнем участке отказы носят регулярный характер. Поэтому в [1] предлагается обоснованный переход от практики выбора средств защиты от перенапряжений к проектированию систем защиты для конкретных эксплуатационных условий. Для совершенствования устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и прогнозирования надежности устойчивой работы систем СЦБ для конкретно заданного участка необходима вероятностная оценка повреждаемости аппаратуры с учетом используемых методов защиты. В данной работе представлена методика определения вероятности безотказной работы устройств СЦБ от грозовых перенапряжений, приходящих со стороны рельсовых цепей (РЦ), учитывающая такие особенности железнодорожного участка, как род тока электротяги, грозовая интенсивность региона, предельная энергетическая способность УЗИП.

Грозовые перенапряжения в рельсовых цепях возникают от прямого или индуктированного удара молнии в систему тягового электроснабжения при перекрытии изоляции контактной сети, пробоях искрового промежутка порогового разрядника или срабатывании ОПН. Предельное число отказов от перенапряжений со стороны РЦ может быть равно числу случаев возникновения грозовых перенапряжений в рельсовых цепях. Однако

этот предельный случаи маловероятен, поскольку зависит от множества факторов, включающих удаленность аппаратуры от места воздействия на рельсовую нить, наличия полимерного покрытия в верхнем строении пути, эффективности применяемых УЗИП. Уровень изоляции контактной сети изменяется под действием климатических и иных факторов, принимается равным уровню импульсного разрядного напряжения изоляторов. До недавнего времени для ограничения атмосферных перенапряжений применялись роговые разрядники, импульсное пробивное напряжение которых составляет 25 и 190 кВ для сети с номинальным напряжением 3,3 и 25 кВ соответственно. Задача вычисления вероятности безотказной работы устройств СЦБ от грозовых перенапряжений со стороны РЦ без установки УЗИП сводится к определению числа возможных потенциалов, возникающих при грозе, достаточных для перекрытия уровня изоляции контактной сети с заземлением опор на тяговый рельс.

Общее число перекрытий изоляции контактной сети складывается из числа пробоев от перенапряжений прямых и индуктированных ударов молнии:

N = N +

перекрытий к.с. перекрытий к.с. пум

+N .

перекрытий к.с. иум

Число возможных прямых ударов молнии в контактную сеть за год определяется выражением, представленным в работе [2]:

N = nkS-10"3,

пумк.с.

где п - число ударов молнии в землю на 1 км ее поверхности, отнесенное к одному грозовому дню; k - число грозовых дней в году для рассматриваемой местности; - площадь исследуемой территории, на которой определяется частота поражае-мости контактной сети, равная произведению длины линии Ь на прилегающую к ней ширину полосы земли Ъ, где разряды молнии попадают непосредственно в линию.

Перекрытие изоляции контактной сети произойдет в случае прямого удара молнии при токах с учетом его распределения в двух направлениях:

2

I > и ——2.

Z

Z

_кс

2

м

иркутским государственный университет путей сообщения

Учитывая вероятность появления такого тока в канале молнии, описываемую экспоненциальным законом [3, 4]:

-1

Р = е 26

I

определим число прямых ударов молнии, приводящее к появлению в контактной сети напряжения, достаточного для перекрытия изоляции:

22 + 2

и

26 2 2

м кс пкЬЬЮ-3

,

N = е

перекрытий пум к.с.

где Zм - волновое сопротивление канала молнии; Zкс - волновое сопротивление контактной сети.

Известно, что помимо прямых ударов молнии контактная сеть, как и любая линия электропередачи, подвергается также индуктированным перенапряжениям от ударов молнии вне зоны экранирования контактной сети. Число ударов линейной молнии в узкую полосу земли шириной ёЪ, отстоящую от оси линии (контактной сети) на расстоянии Ъ:

dN = пкМЬ-10-3

пум ШЬ

Чтобы индуктированное напряжение Ц перекрыло импульсную прочность изоляции плитуда тока молнии определяется из условия, определенного Д.В. Разевигом [3]:

и Ь

1м '

60 к И

0

где - коэффициент, определяемый относительной скоростью обратного разряда.

инд

ам-

Учитывая вероятность таких токов, общее число ударов молнии в полосу ёЪ, приводящее к появлению в контактной сети напряжения, достаточного для перекрытия изоляции:

-1

dN

= PdN

нд кс I пу м ШЬ

и Ь

инд

1560 к И

0 пк1 -10"

= е 26

ЧЬ.

пк1 -10 - 3 ЧЬ =

Интегрирование к.с. по расстоянию,

в пределах которого может произойти удар молнии за зоной экранирования контактной сети, т. е. от минимально возможного Ът1П = 8к до Ътах = да, даст полное число случаев появления индуктированных перенапряжений с максимальным значением, превышающим иинд. Учитывая, что удары могут произойти по обе стороны от контактной сети, получим:

и Ь

иум

N

2пк1 -10

- 3

перекрытий к.с. иум

*

1560 - 0,5 И

ЧЬ.

8И

Вероятностное число случаев в год возникновения атмосферных перенапряжений на контактной сети постоянного тока участка Омского региона Западно-Сибирской железной дороги от прямых и индуктированных ударов молнии представлено на рис. 1. При расчетах использовались данные «Научно-прикладного справочника по климату СССР», где для Омска среднее число

м

м

м

кс

е

Рис. 1. Число случаев в год возникновения перенапряжений с различным амплитудным значением на 100 км длины контактной сети при: а - прямых; б - индуктированных воздействиях молнии

Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_

ш

дней с грозой k = 24. Если не требуется высокая точность в расчетах, то можно воспользоваться картой грозовой деятельности на территории России.

Из общего числа 19 прямых ударов молнии в контактную сеть на 100 км длины, от 17 до 18 приводят к перекрытию изоляции в зависимости от уровня ее прочности. Число индуктированных воздействий молний, при которых наведенные напряжения превосходят уровень электрической прочности изоляции контактной сети постоянного тока, достигает от 2 до 24 за грозовой сезон. Таким образом, общее число случаев возникновения перенапряжений, превышающих уровень изоляции контактной сети на 100 км длины за год в пределах Омска, составляет 19-42.

При использовании роговых разрядников, общее число случаев пробоя их искровых промежутков, а следовательно, и воздействий на рельсы, для тех же условий может достигать 107, из которых 18 от прямых и 89 от индуктированных ударов молнии. Демонтаж роговых разрядников с 2008 г., в соответствии с указаниями департамента ЦЭ, приводит к значительному уменьшению числа случаев воздействий импульсных токов на рельсовые цепи, что является эффективным мероприятием по повышению надежности аппаратуры рельсовых цепей от перенапряжений в грозовой сезон

[5].

При допущении равенства длин блок-участков наибольшей длины 2,6 км, максимальный поток отказов сигнальной точки от грозовых перенапряжений со стороны рельс составит max[ю(t)] = 0,46...2,73 год-1 в зависимости от уровня изоляции контактной сети и наличия роговых разрядников.

Защита от перенапряжений со стороны РЦ предусматривает установку УЗИП ограничивающего типа на основе оксидно-цинковых варисто-ров СН2-2Б и СН2-2В в выравнивателях ВОЦШ-220 и В0ЦН-220 [5], а с недавнего времени и ОПН 0,4/0,26/10/500 в УЗП1-500-0,26. Экспериментально определено, что средняя предельная энергетическая способность УЗИП к приведенной энергии составляет 104 и 106 А2-с для элементов защиты В0ЦН-220 и УЗП1-500-0,26 соответственно [6]. С недавнего времени после укладки пенополистиро-ла в верхнем строении пути вследствие увеличения длины растекания грозового воздействия вдоль рельсовой колеи осложнились условия работы УЗИП в РЦ [7].

Число отказов аппаратуры (при повреждаемости УЗИП) с учетом статистического распределения интеграла действия тока молнии (Джоулева

интеграла W/R) и предельной энергетической способности УЗИП составит:

N = е

пораженийУЗИП

- 6

" 7 -10 Ш/Я

N .

перекрытий к.с.

На каждую сигнальную точку, защищенную в РЦ выравнивателями В0ЦН-220 или ВОЦШ-220, приходится поток отказов от перенапряжений 0,37 год-1 при максимальном и 0,86 год-1 при минимальном уровнях изоляции контактной сети, а также 2,19 год-1 при установленных в контактной сети роговых разрядниках. При защите рельсовой цепи УЗП1-500-0,26 поток отказов на сигнальную точку будет 2,95-10"3 год-1 при максимальном и 6,88-10"3 год-1 при минимальном уровнях изоляции контактной сети, а также 1,7540-2 год-1 при установленных в контактной сети роговых разрядниках.

Вероятность безотказной работы за период t можно определить для экспоненциального закона надежности, принятого в системах железнодорожной автоматики.

Показатели безотказности аппаратуры сигнальной точки при грозовых перенапряжениях со стороны РЦ для условий Омского региона сведены в табл. 1.

Показатели безотказности соответствуют наихудшему случаю при отсутствии УЗИП в рельсовой цепи, когда каждое перекрытие от удара молнии изоляции контактной сети сопровождается отказом. Установка выравнивателей В0ЦН-220 улучшает показатели безотказности, но незначительно по причине несовместимости по критерию предельной энергетической пропускной способности. Наибольшая вероятность безотказной работы достигается при установке элемента УЗП1-500-0,26, обеспечивающего энергетический запас при среднестатистическом интеграле квадрата тока молнии. Повышению безотказной работы будет способствовать и выполнение комплекса защитных мероприятий. Например, в отсутствие роговых разрядников, показатели безотказности будут определяться и уровнем изоляции контактной сети, и при ее увеличении безотказность также растет. Используя данную методику, представляется возможным провести оценку отказов от грозовых перенапряжений со стороны рельсовых цепей на любом железнодорожном участке с учетом вида электротяги, наличия устройств защиты контактной сети, уровня ее изоляции, географических условий местности и типа используемых УЗИП в рельсовой цепи.

Таблица 1

Показатели безотказности аппаратуры сигнальной точки при грозовых перенапряжениях в РЦ_

Параметр потока отказов, 1/год Вероятность безотказной работы за один год

Без УЗИП в РЦ

при установленных роговых разрядниках в контактной сети 2,73 0,065

при демонтированных роговых разрядниках и минимальном уровне изоляции контактной сети 1,07 0,343

при демонтированных роговых разрядниках и максимальном уровне изоляции контактной сети 0,46 0,632

С установкой В0ЦШ-220 в РЦ

при установленных роговых разрядниках в контактной сети 2,194 0,111

при демонтированных роговых разрядниках и минимальном уровне изоляции контактной сети 0,861 0,423

при демонтированных роговых разрядниках и максимальном уровне изоляции контактной сети 0,369 0,691

С установкой УЗП1-500-0,26 в РЦ

при установленных роговых разрядниках в контактной сети 0,00215 * 0,9979

при демонтированных роговых разрядниках и минимальном уровне изоляции контактной сети 0,00084 * 0,9992

при демонтированных роговых разрядниках и максимальном уровне изоляции контактной сети 0,00036 * 0,9996

* - при более длительном по времени воздействии показатели безотказности снижаются

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Концепция защиты устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от перенапряжений // Железнодорожный транспорт. Сер.: автоматика и телемеханика. 2006. Вып. 3. 25 с.

2. Рыков И. И. Разевиг Д. В. Атмосферные перенапряжения и защита от них тяговых устройств электрических железных дорог // Труды ВНИИЖТа. Вып. 56. М.: Трансжелдориздат, 1952. 88 с.

3. Разевиг Д. В. Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи М.-Л. : Госэнергоиз-дат, 1959. 216 с.

4. Долгинов А. И. Техника высоких напряжений в электроэнергетике. М. : Энергия, 1968. 464 с.

5. Гаранин А. Е., Митрохин В. Е. Вероятность отказов аппаратуры автоблокировки в грозовой сезон // Безопасность движения поездов : материалы XI Всерос. науч.-практ. конф. / Московский гос. ун-т путей сообщения. М., 2010. С. VШ-5, VШ-6.

6. Руководящие указания по защите от перенапряжений устройств СЦБ. М. : Транспорт, 1990. 60 с.

7. Митрохин В. Е., Гаранин А. Е., Бондаренко К. А. Критерий выбора устройства защиты от перенапряжений // Автоматика, связь, информатика. 2011. № 4. С. 14-17.