Исследование защитного действия рельсов на однопутном участке железной дороги в зоне высокоомных грунтов

7. Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В. Исследование возможности локализации источника гармонических искажений напряжения на питающих подстанциях / Сборник научных трудов ЦФТПЭС КНЦ РАН «Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети» Апатиты 2008 г., 140-147 с.

8. Карпов А.С., Невретдинов Ю.М., Фастий Г.П., Ярошевич В.В. Проблемы локализации источников искажений электроэнергии и определение вклада подключенных потребителей в искажение или нормализацию качества электроэнергии / Труды КНЦ РАН. Энергетика. - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра, 2011 г. 126-139 с.

9. Карпов А.С., Ярошевич В.В., Карпова О.М.. Оценка эффективности мониторинговых исследований качества электроэнергии по ГОСТ 13109-97 в высоковольтной сети 6-150 кВ / Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика (выпуск 7). Апатиты. Изд-во КНЦ РАН, 2013, № 2.

10. Ярошевич В.В., Невретдинов Ю.М., Токарева Е.А., Фастий Г.П., Сенюшина Л.В. Развитие дуговых перенапряжений в сети 10 кВ. / Сборник «Технико-экономические и электрофизические проблемы развития энергетики севера». - Апатиты, 2007 г., 100-112 с.

11. Ярошевич В.В., Невретдинов Ю.М., Токарева Е.А., Веселов А.Е. Выбор защиты от дуговых перенапряжений в сети 35 кВ / Сборник «Технико-экономические и электрофизические проблемы развития энергетики Севера». - Апатиты, 2007 г., 112-122 с.

12. Ефимов Б.В., Кузнецов Н.М., Невретдинов Ю.М., Ярошевич В.В., Фастий Г.П. Дуговые перенапряжения при переходе однофазных замыканий на землю в двойные / В журнале Электрика N° 5 2о08 г., 8-11 с.

Сведения об авторах

Карпов Алексей Сергеевич,

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: asc_apatity@mail.ru

Ярошевич Вера Васильевна,

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: yaroshevich@ien.kolasc.net.ru

УДК 621.311

О.В.Залесова, М.В.Якубович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ РЕЛЬСОВ НА ОДНОПУТНОМ УЧАСТКЕ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ В ЗОНЕ ВЫСОКООМНЫХ ГРУНТОВ

Аннотация

Выполнено экспериментальное и расчетное исследование защитного действия рельсов на однопутном участке железной дороги в зоне высокоомных грунтов. Определен коэффициент защитного действия рельсов при движении по участку одного и двух составов.

Ключевые слова:

электромагнитное влияние, электрифицированная железная дорога, коэффициент защитного действия рельсов, воздушные линии электропередачи.

62

O.V.Zalesova, M.V.Yakubovich

RAILS SHIELDING EFFECT RESEARCH ON THE ONE-TRACK RAILWAY SECTION IN THE HIGH-RESISTANCE SOIL AREA

Abstract

Experimental and numerical research of rails shielding effect for the single-track railway section in the high-resistance soil area have been carried out. Rails shielding factor when the moving of one train and two trains on the section have been determined.

Keywords:

electromagnetic interference, electric railway, rails shielding factor, overhead transmission lines.

Одной из проблем электромагнитной совместимости электрифицированной железной дороги является проблема появления наведенных напряжений на смежных с ней отключенных линиях электропередачи (ЛЭП). Исследованию одного из аспектов этой проблемы и посвящена данная работа.

Известно, что ток контактной сети возвращается на тяговые подстанции по рельсам и через землю. Часть тока, протекающая по рельсам, уменьшает электромагнитное влияние контактной сети на смежные линии. Для учета этого явления в «Правилах защиты.. .>» [1] введено понятие коэффициента защитного (экранирующего) действия рельсов - kзд.

Этот коэффициент характеризует степень снижения рельсами электромагнитного влияния контактной сети на воздушные линии электропередачи, проходящие вблизи железной дороги переменного тока. Его величина зависит от целого ряда параметров: ширины сближения линии с железнодорожным полотном; удельной проводимости (удельного сопротивления) грунта; количества путей на участке железной дороги [1-4].

Коэффициент защитного действия рельсов определяется отношением напряженности электромагнитного поля, созданного контактным проводом при наличии рельсов, к напряженности электромагнитного поля при их отсутствии: кзд = EЭ/Е = И Э/И . Он может принимать значения в диапазоне от 0 до 1

(чем ближе его значение к нулю, тем лучше экранирующий эффект рельса).

В [1, 2] приводится формула для расчета величины k3d:

к зд = 1 — — кр /Z р ,

где —кр = j -а- - сопротивление взаимной индуктивности между контактным

проводом и рельсами, Ом/км; Z = Rp + j -а  L - сопротивление рельсов, Ом/км.

Известно, что ток в рельсах связан с током в контактной сети следующим соотношением [1]:

1 р = 1 кс ' — кр I— р .

Исходя из приведенных соотношений, коэффициент защитного действия рельсов можно определить по формуле:

к зд = 1 - 1 кс/1 р ,

где I кс - ток, протекающий в контуре «контактный провод - земля»; I - ток, протекающий в контуре «рельсы - земля».

1 Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока.

63

Для смежных линий, удаленных от железнодорожного полотна на расстояние больше 30 м, в разных источниках [1, 2, 3] приводятся данные (таблица 1), по которым можно оценить экранирующий эффект рельса, при известных удельной проводимости грунта и количестве путей на участке железной дороги.

Таблица 1

Коэффициент экранирующего (защитного) действия рельсов

Удельная проводимость земли, См/м Участок

Однопутный Двухпутный Многопутный

1*10-3-10*10-3 0.45-0.50 0.35-0.40 0.30-0.35

10*10-3-50*10-3 0.50-0.55 0.40-0.45 0.35-0.40

50*10-3-100*10-3 0.55-0.60 0.45-0.50 0.40-0.45

Данные таблицы 1 показывают, что значение коэффициента kд возрастает при увеличении удельной проводимости земли и уменьшается с увеличением числа путей на участке железной дороги.

В учебном пособии [4] представлена таблица 2, где также указаны приблизительные диапазоны значения коэффициента защитного действия рельса. Однако в работе не сказано, для каких значений удельной проводимости (сопротивления) грунта были сделаны эти оценки.

Таблица 2

Ориентировочные диапазоны коэффициента защитного действия рельса

Характеристика экрану рующего проводника Параметр kd Примечание

Электрифицированная железная дорога однопутная b<50 м b=50 м...100 м 0.56 0.8 b - расстояние от воздушной линии или линии связи до ближайшей железной дороги, м

двухпутная b<50 м b=50 м. 100 м 0.46 0.7

Исследования влияния тяговой сети железной дороги на близлежащие ЛЭП проводились и сотрудниками ЦФТПЭС КНЦ РАН начиная с 2006 года. Они включали в себя как экспериментальную часть (измерения токов тяговой сети, токов в рельсах и наведенных напряжений), так и теоретическую (расчеты наведенных напряжений на отключенных ЛЭП, определение доли обратного тока, протекающего в рельсах, определение гармонического состава токов и наведенных напряжений, и т.п.) [5, 6].

В основу данного исследования легли экспериментальные данные 2011 года. Измерения включали в себя:

- длительную (55 ч) непрерывную регистрацию тока в рельсах в нескольких точках однопутного участка железной дороги;

- длительную (55 ч) непрерывную регистрацию наведенного напряжения на изолированном конце отключенной ЛЭП (ПС Имандра), проходящей вдоль железной дороги; на противоположном конце (ПС Хибины) линия электропередачи была заземлена.

Схема взаимного расположения участка железной дороги и ЛЭП, а также точек измерения токов в рельсах показана на рисунке 1.

Каждый состав, находящийся на участке железной дороги Апатиты - Оленегорск, получает питание от двух тяговых подстанций. При измерениях величины токов в рельсах в моменты времени непосредственно предшествующие прохождению локомотива над регистратором и непосредственно следующие после прохождения локомотива, принимались в качестве токов, протекающих в контактной сети, и питающих электровоз со стороны ПС Апатиты (/ап) и ПС Оленегорск (/о,). Таким образом, полный ток, потребляемый электровозом, представлял собой сумму «апатитской» и «оленегорской» составляющих: Iэл = IаП +10л.

64

Рис.1. План расположения участка железной дороги и ЛЭП

Коэффициент защитного действия рельсов определялся для двух случаев, когда по участку железной дороги:

1) проходит один электроподвижной состав,

2) проходят два электроподвижных состава.

По экспериментальным данным тока в рельсах были проведены расчеты наведенного напряжения на отключенной линии электропередачи. При расчетах была выбрана модель кусочно-параллельного сближения линии с участком железной дороги, что соответствует реальному расположению объектов. Методика расчетов подробно описана в [7]. Удельное сопротивление грунта было принято равным 104 Ом м. Величина коэффициента защитного действия рельса кзд задавалась от 0.4 до 0.6 с интервалом 0.05 для каждого случая.

В исследовании были использованы для первого случая 4 и для второго - 6 «чистых» экспериментов, где каждый состав имел достаточно большой временной отрыв от других поездов, находящихся на участке Апатиты - Оленегорск. Измеренные значения токов, потребляемых электровозами, представлены в таблице 3. В первом случае для расчета использовалось значение тока при прохождении электровозом устройства регистрации № 2. Во втором случае - при прохождении первым составом регистратора № 1, а вторым - регистратора № 2. Причем, при движении двух поездов, они проходили над датчиками тока одновременно.

Критерием выбора значений коэффициента кд являлось сравнение экспериментальных и расчетных величин наведенных напряжений на ЛЭП в каждом из случаев влияния. При этом расчетное значение наведенного напряжения не должно было быть меньше измеренного. Рассматривая разность расчетного и экспериментального значений как погрешность определения наведенного напряжения, мы видим, что диапазон погрешностей наведенного напряжения, в первом случае получился от 3.8% до 18%, во втором случае - от 0.7% до 19%. Такой разброс величин погрешностей, обусловлен многофакторностью влияния контактной сети железной дороги переменного тока на проходящие вблизи отключенные линии электропередачи.

В результате расчетов были определены значения коэффициента защитного действия рельсов для обоих рассматриваемых случаев влияния. Коэффициент защитного действия в первом случае (один электроподвижной состав на участке) составил 0.55, во втором случае (два состава на участке) - 0.4.

В таблицах 4 и 5 представлены экспериментальные и расчетные значения наведенного напряжения на изолированном конце линии электропередачи для двух рассматриваемых случаев влияния.

65

Таблица 3

Полные токи, потребляемые составами

№ Эксперимента Потребляемый электровозом ток

Один электровоз на участке ж.д Два электровоза на участке ж.д

^злЬ А ^эЙ:, А

1 118.9 52.0 90.0

2 90.9 99.4 98.3

3 132.5 58.3 109.9

4 135.7 45.7 45.9

5 - 35.2 80.6

6 - 56.9 80.7

Таблица 4

Наведенное напряжение на ЛЭП

№ Эксперимента Наведенное напряжение на ЛЭП-146 U, В

экспериментальные значения расчетные значения

1 60.8 67.7

2 49.9 51.8

3 68.3 75.5

4 65.8 77.3

Таблица 5

Наведенное напряжение на ЛЭП

№ Эксперимента Наведенное напряжение на ЛЭП-146 U, В

экспериментальные значения расчетные значения

1 44.6 51.9

2 68.0 68.5

3 55.7 62.0

4 28.9 31.8

5 42.3 43.4

6 41.6 49.4

Разные значения коэффициента защитного действия рельсов в двух рассмотренных случаях можно объяснить тем, что при движении по однопутному участку железной дороги двух электроподвижных составов, токи, протекающие в контурах «контактный провод - земля» и «рельсы - земля» на отрезке между электровозами, частично компенсируют друг друга (рисунок 2), что приводит к снижению величины k^.

Рис. 2. Схема электропитания участка Апатиты - Оленегорск и направления токов в контактной сети, рельсах и земле

66

Выводы

Экспериментальные и расчетные исследования, проведенные на однопутном участке железной дороги, проходящей в зоне высокоомных грунтов, показали, что коэффициент защитного действия рельсов при влиянии тяговой сети железной дороги на смежные линии зависит, при прочих равных условиях, от количества составов, движущихся по данному участку. При одинаковой нагрузке тяговой сети данный коэффициент в случае движения двух составов имеет меньшее значение (0.55), чем в случае движения одного состава (0.4), что, по-видимому, связано с частичной компенсацией питающих и обратных токов на участке между локомотивами.

Литература

1. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока. - М.: Транспорт, 1989.

2. Закарюкин В.П. Электромагнитная совместимость устройств электрифицированных железных дорог: Методическое пособие. - Иркутск: ИрГУПС, 2003. 108 с.

3. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1 / Под ред. КГМарквардта. - М.: Транспорт, 1980. 256 с.

4. Костенко М.В. Влияние электрических сетей высокого напряжения на техно- и биосферу. Учебное пособие. Л., изд. ЛПИ, 1984. - 56 с.

5. Дроздова О.В. Якубович М.В. Экспериментальные исследования распределения тяговых токов в рельсах и земле // Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети. - Сборник статей - Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2008. - С. 122-128.

6. Дроздова О.В., Якубович М.В. Исследование влияния системы тягового

электроснабжения переменного тока на отключенные линии электропередачи // Вестник МГТУ. Труды Мурманского государственного технического университета. Том 13, 4/2, 2010. - С. 918-922.

7. Залесова О.В., Якубович М.В. Моделирование влияния железной дороги на линии

электропередачи с учетом гармоник тяговой сети // Труды Кольского научного центра РАН. 2010. 1 (1). С. 102-109.

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 кандидат технических наук

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

67