Теоретическое и экспериментальное исследования электромагнитной совместимости железных дорог переменного тока и высоковольтных сетей энергосистем в условиях грунтов с низкой проводимостью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.12, кандидат наук Залесова Ольга Валерьевна

• Залесова Ольга Валерьевна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Залесова Ольга Валерьевна

1.3 Постановка задачи работы

Глава 2 Экспериментальное исследование токов в рельсовых путях на

участке железной дороги переменного тока

2.1 Метод и система регистрации токов в рельсовых путях

2.2 Результаты измерений обратных тяговых токов в рельсовой

сети

2.3 Анализ экспериментальных данных тяговых токов

2.4 Экспериментальное исследование распределения обратных

токов в рельсах

Глава 3 Экспериментальное исследование наведённых напряжений на

отключённой ВЛ

3.1 Метод и система измерения наведённого напряжения на

отключенной ВЛ

Результаты измерений наведённых напряжений на отключённой

. ВЛ

3.3 Анализ экспериментальных данных наведённых напряжений.... 51 Глава 4 Теоретическое исследование наведённых напряжений на

отключённой ВЛ

4.1 Математическая модель контактной сети железной дороги

переменного тока

4.1.1 Распределение тока в контактной сети однопутного участка железной дороги

4.1.2 Распределение тока в тяговой сети двухпутного участка

железной дороги

4.2 Распределение обратного тягового тока в рельсах и земле. Коэффициент защитного действия рельса

4.3 Метод оценки значений наведённого напряжения на ВЛ

4.4 Программа расчета наведенного напряжения

4.5 Расчет значений наведенного напряжения на ВЛ с помощью программы

4.5.1 Расчёт наведенного напряжения для экспериментальной модели сближения ВЛ с однопутным участком железной дороги

Апатиты - Оленегорск

4.5.2 Анализ результатов расчёта наведённого напряжения для экспериментальной модели

4.6 Многовариантные расчёты наведённого напряжения на отключённых ВЛ

4.7 Моделирование электромагнитного влияния тяговой сети железной дороги на отключенные ВЛ с помощью программы АТР-ЕМТР

Глава 5 Исследование наведенных напряжений на примере ВЛ класса

напряжения 110-150 кВ Кольского полуострова

5.1 Параметры и характеристики ВЛ

5.2 Расчет наведенного напряжения на ВЛ класса напряжения

110-150 кВ Кольского полуострова

Заключение

Список литературы

Введение

В настоящее время большая часть электрифицированных железных дорог в России работает по системе переменного тока промышленной частоты. По сравнению с системой на постоянном токе она имеет ряд преимуществ, таких как увеличение расстояния между тяговыми подстанциями, уменьшение площади сечения проводов контактной сети, сокращение потерь электроэнергии, отсутствие электрокоррозии на подземных коммуникациях и пр. Однако, существенным недостатком тяговых сетей переменного тока является создаваемое ими мощное электромагнитное поле, влияние которого особенно сильно проявляется в условиях грунтов с низкой проводимостью на смежные линии различного назначения железнодорожной энергетики, и в том числе на воздушные линии электропередачи высокого напряжения (ВЛ).

Наибольшее магнитное влияние оказывает тяговая сеть с системой электроснабжения однофазного переменного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ [1]. Уровень наведенных напряжений на проводах отключенных ВЛ, расположенных вблизи такой сети железной дороги, может значительно превышать безопасное для ремонтного персонала значение 25 В.

В соответствии с требованиями новых "Правил по охране труда при эксплуатации электроустановок" (ПОТЭУ) любая действующая энергосистема должна располагать перечнем линий, находящихся после отключения под наведенным напряжением выше 25 В [2]. Линии (участки линий), находящиеся под наведенным напряжением, определяются путем выполнения измерений, с последующим перерасчетом значений на наибольший рабочий ток влияющей ВЛ [3], в случае влияния контактной сети электрифицированной железной дороги переменного тока - на максимальный ток в контактной сети.

Нагрузка каждой тяговой подстанции является непрерывно меняющейся величиной, поэтому определение наибольшего рабочего тока в контактной сети при измерении наведенных напряжений проблематично. В связи с этим

актуальным является расчетное определение значений наведенных напряжений на отключенных ВЛ, проходящих вблизи железной дороги переменного тока.

Диссертационная работа выполнялась в рамках гранта Федерального государственного бюджетного учреждения «Российский фонд фундаментальных исследований», проект "Теоретическое и экспериментальное исследование наведенных напряжений и токов проводных воздушных и кабельных линий, находящихся в зоне влияния разветвленной высоковольтной сети" (№ 09-0800276), а также ряда госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ (НИР) в том числе: "Теоретическое и экспериментальное исследование электромагнитной совместимости железных дорог переменного тока и высоковольтных сетей энергосистем" по теме " Исследование комплексных физико-технических проблем надежности эксплуатации и использования высоковольтного оборудования энергосистем с учетом процессов его старения и повышения требований к электромагнитной совместимости" (Госбюджетный договор на 2006 г. №2-02-3002); "Исследования наведенных напряжений на участках ВЛ, имеющих сближения с электрифицированной железной дорогой и разработка предложений по защите ремонтного персонала линий" (Договор с ОАО "МРСК Северо-Запада" "Колэнерго" от 14 апреля 2008 г. №3341).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое и экспериментальное исследования электромагнитной совместимости железных дорог переменного тока и высоковольтных сетей энергосистем в условиях грунтов с низкой проводимостью»

Цель работ

Теоретическое и экспериментальное исследование электромагнитного влияния контактной сети железной дороги переменного тока на сети высокого напряжения и разработка рекомендаций по повышению безопасности ремонтных работ на отключенных ВЛ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований спектрального состава тока тяговой сети и распределения тока в рельсовых путях на однопутном участке железной дороги переменного тока.

2. Схема замещения влияющего участка железной дороги и методика расчета тока в тяговой сети в зависимости от количества нагрузок в зоне питания.

3. Алгоритм и программа расчета наведенного напряжения на отключенных ВЛ, подверженных электромагнитному влиянию контактной сети железной дороги переменного тока.

4. Результаты расчетов наведенного напряжения на отключенной ВЛ класса напряжения 110 кВ, расположенной вдоль действующего однопутного участка железной дороги, а также их сопоставление с экспериментальными данными.

5. Результаты теоретических исследований наведенных напряжений на примере высоковольтных линий класса напряжения 110-150 кВ Кольского полуострова, имеющих сближение с одно- и двухпутными участками железной дороги переменного тока.

6. Рекомендации по повышению безопасности ремонтных работ на ВЛ.

Научная новизна

В диссертационной работе решен комплекс вопросов, позволяющих оценить электромагнитное влияние тяговой сети железной дороги переменного тока на смежные отключенные ВЛ. К наиболее значимым следует отнести следующие результаты исследований: определены спектральные составы тока в тяговой сети при одном и нескольких электровозах на участке железной дороги и наведенного напряжения на смежной ВЛ, выявлена взаимосвязь между данными величинами; предложен расчетный программный комплекс, позволяющий получить оценку уровня наведенного напряжения на проводах отключенных ВЛ при различных способах ее заземления.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются применением достаточно полных математических моделей исследуемых процессов, представительных по объему экспериментальных и теоретических исследований, а также удовлетворительной сходимостью результатов моделирования с экспериментальными данными.

Практическое значение работы

1. Разработан программный комплекс, с помощью которого можно быстро и с достаточной точностью получить распределение наведенных напряжений на

любой ВЛ, подверженной влиянию тяговой сети железной дороги, электрифицированной на переменном токе.

2. Исследовано влияние однопутных участков Октябрьской железной дороги, работающих по системе тягового электроснабжения 1*25 кВ, на расположенные вблизи отключенные линии электропередачи в рамках региональной энергосистемы, что позволило определить линии, на которых уровень наведенного напряжения превышает допустимый 25 В.

3. Разработаны рекомендации по повышению безопасности оперативного персонала во время проведения ремонтных работ.

Методы исследований базируются на законах теории электромагнитного поля, методах математического анализа. Методом исследования при выполнении теоретического исследования являлось математическое моделирование. Программа для расчета наведенного напряжения на ВЛ была написана на языке программирования Fortran. Исходными данными являлись действующие значения токов и напряжений тяговой сети.

Реализация результатов работы

На основе разработанных методов расчетов и результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований наведенных напряжений на воздушных линиях электропередачи Кольского полуострова был подготовлен к использованию программный комплекс для расчета наведенных напряжений на отключенных линиях. В рамках рассматриваемой энергосистемы были определены линии класса напряжения 110-150 кВ, на которых значения наведенного напряжения превышают допустимый уровень, и разработаны рекомендации по обеспечению безопасности ремонтных работ на линиях.

Глава 1. Анализ существующих методов расчёта наведённого напряжения на ВЛ, подверженных влиянию железной дороги переменного тока, и правил обеспечения безопасности ремонтных работ на отключённых ВЛ

1.1 Рекомендации и требования нормативных документов

В новых Правилах по охране труда при эксплуатации электроустановок (ПОТЭУ) [2] работы на воздушных линиях (ВЛ) под напряжением определяются как:

".Работы на линиях под наведенным напряжением (ВЛ, КВЛ, ВЛС, воздушные участки КВЛ), которые проходят по всей длине или на отдельных участках вблизи действующих ВЛ или контактной сети электрифицированной железной дороги переменного тока, на отключенных проводах (тросах) которых при заземлении линии по концам (в РУ) на отдельных ее участках сохраняется напряжение более 25 В при наибольшем рабочем токе влияющих ВЛ (при пересчете на наибольший рабочий ток влияющих ВЛ), выполняются по технологическим картам или ППР, утвержденным руководителем организации (обособленного подразделения). "

Требования к безопасности работ на отключенных высоковольтных линиях при влиянии железных дорог переменного тока такие же, как и при влиянии симметричных режимов работы ВЛ:

"Эксплуатирующим организациям необходимо определить линии (участки линий), находящиеся под наведенным напряжением, путем выполнения измерений, с последующим перерасчетом значений на наибольший рабочий ток влияющей ВЛ. Схема и порядок измерений величины наведенного напряжения и ее перерасчета на наибольший рабочий ток влияющей ВЛ определяются эксплуатирующей организацией.

Работники, обслуживающие ВЛ, должны иметь в наличии перечень линий, находящихся под наведенным напряжением, знать содержание указанного

перечня и требования безопасной организации и выполнения работ на них, указанные в Правилах.

Сведения о наличии наведенного напряжения на ВЛ должны быть указаны в строке "Отдельные указания" наряда-допуска. Значение расчетного наведенного напряжения на ВЛ указывается в перечне ВЛ под наведенным напряжением. "

На практике при использовании данного пункта ПОТЭУ появляется сложность обеспечения наибольшей нагрузки в контактной сети железной дороги при измерении наведенных напряжений на отключенных ВЛ. Это объясняется тем, что нагрузка тяговой подстанции является непрерывно меняющейся величиной. Значение тягового тока в контактной сети зависит от таких факторов, как режим работы электровоза, количества электровозов и их расположения на межподстанционной зоне между тяговыми подстанциями, а также величин токов потребляемых каждым из электроподвижных составов (ЭПС).

Поэтому во многих исследованиях и вытекающих из них практических рекомендациях наведенные напряжения предлагается определять расчетным путем по алгоритмам и программам, проверенным путем сопоставления теоретических и экспериментальных данных.

1.2 Обзор проблемы электромагнитного влияния тяговой сети железных дорог переменного тока на сети высокого напряжения и предварительная оценка величин наведенного напряжения на ремонтируемой ВЛ

Со стороны железнодорожной энергетики проблеме опасного и мешающего электромагнитного влияния железной дороги переменного тока уделяется особое внимание. В первую очередь рассматриваются взаимные влияния друг на друга контактных сетей соседних путей многопутных участков, затем влияние тяговой сети на смежные линии низкого и среднего напряжения, линии связи и проводного вещания, цепи сигнализации, централизации и автоблокировки (СЦБ) [1]. Для таких случаев в литературе встречаются описания различных

математических моделей и методов расчета электромагнитного влияния тяговых сетей, авторами которых являются Закарюкин В.П., Крюков А.В., Карякин Р.Н., Гаврилюк В.И., Завгородний А.В., Косарев А.Б., Лукьянов П.Ю., Михеев В.П. и др.

Обзор известных публикаций [4, 5, 6, 7, 8, 9] показал, что некоторые исследователи фактически затрагивают проблему электромагнитного взаимодействия электрифицированной железной дороги и ВЛ высокого напряжения. В частности авторами [10] используется для расчётов наведенного напряжения на смежные линии железнодорожного назначения созданный ими программный комплекс Fazonord-Качество. Однако вопросы, связанные с безопасностью работы персонала энергосетевых предприятий в них не рассматриваются.

Рассмотрим приближенные оценки возможных уровней наведенных напряжений на участке сближения ВЛ с железной дорогой. Для этого будем вводить ряд допущений, которые идут в запас, то есть приводят к некоторому завышению этих оценок. Предположим, что питание участка двухстороннее. При прохождении электроподвижного состава по нему от питающих концов течет ток (в первом приближении равный половине тока электровоза), часть которого возвращается по рельсам. Покажем, что наихудшим (с точки зрения наведенных напряжений) будет случай расположения влияющего электровоза на середине участка сближения. В случае одностороннего питания влияние будет осуществляться на половине длины, но весь влияющий ток (удвоенный по отношению к первому случаю) будет течь к электровозу с одной стороны. Поэтому наибольшие наведенные напряжения при двустороннем и одностороннем питании будут близки друг другу.

Если допустить, что весь ток возвращается по рельсам и пренебречь влиянием наведенных в земле токов от существенно несимметричной системы провод - рельс, то наведенные напряжения на линии, расположенной параллельно с железной дорогой будут определяться двумя контурами переменной длины. К сожалению, даже простейшие оценки показывают, что ввести такие допущения

априорно нельзя. Даже незначительная часть тока (единицы процентов от тока в контактном проводе) протекающего в земле создает заметные наведенные напряжения при расстояниях сближения железной дороги и ВЛ в сотни метров и километры. Особенно это сказывается при высоких удельных сопротивлениях грунта. Процесс стекания тока с рельса в районе прохождения поезда (даже в приближении равномерного контакта между ним и окружающим грунтом) требует решения трехмерной задачи электромагнитного поля. В железнодорожной технике рельсы, лежащие на бетонных шпалах и не имеющие непосредственного контакта с грунтом часто принимаются изолированными от земли. Однако и сами шпалы нельзя считать идеальным изолятором. На перегонах возможен и контакт рельса с грунтом. Существует система дополнительных заземлений рельсов через разрядники при повышении напряжения на рельсе более 1 кВ по отношению к удаленной земле. Из практики расчета сопротивлений армированных бетонных фундаментов опор линий электропередачи можно сделать вывод, что многокилометровый железнодорожный путь будет иметь эквивалентное сопротивление растеканию тока по порядку величин сравнимые значения с суммарным продольным сопротивлением путей на участке между питающими подстанциями. При нахождении электровоза в середине участка относительно небольшая часть тока постепенно будет стекать с рельса в землю, и втекать из земли в рельс в районе подстанций.

Наиболее рациональным подходом к анализу влияния железной дороги на линии электропередачи является следующая постановка задачи. Считаем, что в месте расположения электровоза ток разветвляется на постоянный по амплитуде ток рельса и ток в земле, который сразу уходит на эквивалентную глубину И = 2 • 400^р/50 (м), где р - удельное сопротивление грунта в Омм.

Такой подход приводит к некоторому преувеличению наведенных напряжений. В работах автора [11] показано, что (при длине сближения двух линий в два - три раза большей, чем расстояние между ними) оба фактора приводят к завышению максимального напряжения на несколько десятков процентов. Можно считать, что в условиях неопределенности исходных данных

такие погрешности не существенны. Тогда от исходной сложной задачи можно придти к простой схеме замещения влияющего участка железной дороги, приведенной на рис 1.1а. В такой постановке решение задачи о разделении суммарного обратного тока на две составляющие - ток в массивных стальных рельсах и ток в грунте с высоким удельным сопротивлением нужно решать путем расчета плоскопараллельного поля квазистационарных токов в двух проводящих средах. Даже в двухмерном случае это сложная нелинейная (из-за зависимости параметров стали от тока) задача, не имеющая точного аналитического решения.

Можно пойти по другому пути. Считать разделение тока заданным, одинаковым в обоих направлениях от электровоза. Затем, задаваясь различными соотношениями между составляющими в рельсе и земле, рассчитать наведенные токи. Это позволит сделать выводы о степени влияния доли тока протекающего в земле. При заданных токах в контактном проводе и в рельсе ток в земле определяется как алгебраическая сумма заданных токов (с учетом знаков). Далее можно воспользоваться методом наложения и считать, что влияют не два контура, как это изображено на рисунок 1.1а, а четыре (рисунок 1.1б). В двух контурах токи текут в контактных проводах и полностью возвращаются в земле. В двух других заданные токи текут по рельсам и также полностью возвращаются в земле [12]. Суммарный ток в земле в схемах рисунок 1.1.а и рисунок 1.1.б одинаков. На самом деле из-за разности высот подвеса контактного провода (5 м) и прокладки рельсов (10 см) ток в грунте будет также разделяться на две составляющие, текущие на близких, но все же разных глубинах. Это в данном случае правильно и является по существу учетом не симметрии влияющей системы.

Кроме электромагнитной составляющей наведенного напряжения существует электрическая составляющая, которая учтена в предварительных расчетах. В связи с тем, что на железной дороге применяется относительно низкое питающее напряжение (линейное напряжение питающей сети, то есть напряжение между контактным проводом и рельсами, равно 27.5 кВ), а взаимная емкость быстро уменьшается с увеличением ширины сближения, эта составляющая в данной задаче играет второстепенную роль.

Рисунок 1.1 - Схема замещения влияющего участка железной дороги с параллельно расположенной ремонтируемой линией а) двухконтурная; б) четырёхконтурная; в) распределение наведённого напряжения

В целях обеспечения безопасности ремонтных работ по концам отключенной ВЛ устанавливают заземления. На рисунок 1.1.в приведена диаграмма распределения модуля наведенного напряжения на заземленной по концам линии электропередачи, длина которой меньше участка между подстанциями, питающими один участок дороги. Рассмотрен наихудший случай влияния, когда электровоз находится в середине участка сближения. Влиянием электрической составляющей при заземлении линии по концам через любые сопротивления пренебрежем. Из-за того, что токи в контактном проводе текут к электровозу навстречу друг другу, наведенные напряжения полностью симметрично нарастают от обоих концов ремонтируемой линии, достигая максимума в точке расположенной напротив электровоза. Суммарный ток в проводе ремонтируемой линии равен нулю. Поэтому распределение напряжения, созданного электромагнитной составляющей, в симметричном случае влияния не зависит от сопротивления контуров подстанций, на которые заземлена ВЛ. Это соображение верно до тех пор, пока сопротивления заземлений по концам линии меньше активно-индуктивного сопротивления провода, рассчитанного на всю длину ремонтируемой линии. Если принять, что активное сопротивление провода линии по порядку величины близко к 0.1 Ом/км, индуктивность провода 10-3 Гн/км, то сопротивление одного провода можно оценить как

2 = Я + ]а)Ь = 0. 1 + /3.14-10-3 Ом/км

Модуль сопротивления 2| = ^/я2 + (®Ь)2 Ом/км. Отсюда видно, что при

длине всей ремонтируемой линии (а не только участка сближения) десять и более километров условие существенного превышения сопротивления проводов по отношению к сопротивлениям контуров подстанции выполняется.

Обычной для энергосистем схемой является заземление отключенной ВЛ по концам и дополнительное (контрольное) заземление этой линии в месте проведения работ [13]. При использовании такой схемы в двух образовавшихся контурах на ремонтируемой линии потекут токи.

Рассмотрим наихудший случай. Относительно середины линии, имеющей сближение с железной дорогой по всей длине, картина оказывается

симметричной. Место ремонта и место расположения электровоза - середина линии совпадает с максимумом наведенного напряжения. Тогда с каждой стороны от него падения напряжения в контурах распределяются пропорционально сопротивлению контура подстанции, сопротивлению проводов ВЛ от нее до места ремонта и сопротивлению заземления в месте ремонта. Первые два сопротивления составляют доли или единицы Ом. При сопротивлении в месте заземления в 30 и более Ом все наведенное напряжение будет приложено к нему. То есть картина распределения напряжения ни по форме, ни по значениям модулей напряжения не изменится. Таким образом, применение заземления в месте ремонта при сопротивлении более нескольких десятков Ом бессмысленно с точки зрения повышения безопасности работ. Организации сопротивления заземления менее 10 Ом в местах расположения значительного количества промежуточных опор (включая собственные сопротивления фундаментов и дополнительных заземлителей) просто не реализуемы особенно в условиях низко проводящих грунтов. Поэтому и без точных расчетов ясно, что при превышении наведенного напряжения 25 В работы на линиях, заземленных по концам, при практически любом сопротивлении заземления в месте ремонта, условия работ не изменятся и их проведение будет связано с нарушением норм.

Таким образом, вопрос о допустимости работы на линиях, заземленных по концам, сводится к оценке максимально возможного напряжения на проводе, изолированном в месте ремонта. Это очень существенно, так как отсюда следует вывод о бессмысленности рекомендаций ПОТЭУ о применении дополнительных вертикальных электродов, отнесенных от опоры на расстояние не менее двадцати метров и последующим измерением напряжения между электродом и опорой. Это необходимо и целесообразно выполнять только при сопротивлении заземления опор в единицы Ом. В случае сопротивлений заземления в десятки и более Ом достаточно измерить напряжение между каждым из ремонтируемых проводов и телом изолированной от всех проводов опоры. После ее глухого соединения с проводами измеренное напряжение и будет напряжением на опоре по отношению к удаленной земле. Именно оно и не должно превышать 25 В.

Кроме того, измеренное напряжение между высокоомным фундаментом опор и еще более высокоомным электродом может быть меньше, чем напряжение на опоре по отношению к удаленной земле. Это может произойти в случае, когда внутреннее сопротивление прибора будет сравнимо с двумя предыдущими. Ясно, что эти погрешности можно исключить при использовании приборов с входными сопротивлениями в 1 МОм и более. Для металлических и железобетонных опор, имеющих типичные сопротивления 20^200 Ом (в редких случаях до 1000 Ом) этого вполне достаточно. Однако в условиях высокого удельного сопротивления грунта сопротивление дополнительных вертикальных электродов (длиной около 0.5 м, как этого требует ПОТЭУ) может оказаться на порядки выше. Поскольку заранее это обстоятельство исключить нельзя, то необходимо считаться с фактом, что данные таких измерений могут привести к ошибочному заключению о безопасности ремонтных работ, то время как реальное напряжение будет существенно превышать допустимый уровень.

Поэтому можно еще раз подчеркнуть, что при заземлении линий по обоим концам необходимо и достаточно: в месте ремонта измерить наведенное напряжение на изолированных от опоры проводах по отношению к телу опоры и сравнить это напряжение с допустимым уровнем 25 В.

В случае, когда работы производятся в грунтах с относительно низким удельным сопротивлением, влияние сопротивления опоры в единицы Ом скажется на снижении напряжения на ней. Поскольку на Кольском полуострове таких опор мало, а их сопротивление резко зависит от сезона проведения работ в любом случае лучше с запасом ориентироваться на напряжение между проводом и опорой, а не на напряжение между фундаментом и пробным электродом.

Для деревянных опор без металлических спусков необходимо заземляться через мощные электроды, измерять напряжение на проводах по отношению к нему, и при измерениях пользоваться только приборами с высокоомными входами (1 МОм и более). При этом должна быть уверенность, что сопротивление прибора по крайней мере в 10^100 раз выше, чем максимально возможное для данных грунтов входное сопротивление электродов.

Итак, для линий заземленных по концам необходимо на изолированных по всей остальной длине (в том числе и месте ремонта) проводах определить напряжение по отношению к удаленной земле.

Из линий электропередач, расположенных на Кольском полуострове, была выбрана ВЛ класса напряжения имеющая достаточно большую длину сближения с двухпутным участком железной дороги равную 34.8 км. При этом средняя ширина сближения между линией и влияющем участком тяговой сети составила 2 км.

Для выяснения степени опасности влияния тяговой сети переменного тока на такую линию была выполнена серия методических расчетов наведенных напряжений на ВЛ, заземленной по концам в зависимости от трех факторов ширины сближения, удельного сопротивления грунта и доли тока, протекающего в земле. Трасса сближения считалась однородной по всей длине, что в данном случае является допущением, не только возможным, но и нужным для выяснения физики явлений.

В качестве исходных данных, постоянных для всех таблиц, приняты следующие цифры. Длина сближения и самой ВЛ, как уже указывалось, равна 34.8 км. Один электровоз находится в середине участка сближения. На всем протяжении сближения железная дорога имеет один участок питания. При этом питание двухстороннее по 150 А в контактном проводе с каждой стороны, или, что то же самое одностороннее при токе 300 А. Суммарный ток, потребляемый электровозом, в обоих случаях составляет 300 А, что по экспертным оценкам близко к максимальному току для одного грузового состава. Влияние остальных поездов не учитывается. Высота подвеса контактного провода 6 м. Рельс условно приподнят на 10 см над землей. Как показали расчеты, последняя величина не существенна. Уменьшение ее до 1 см изменяет результаты расчетов в третьей значащей цифре. Однако существенно то, что рельс изолирован по всей длине, кроме заземлений на питающих подстанциях и в зоне расположения электровоза. Результаты расчетов приведены в таблицах 1.1-1.6.

Таблица 1.1 - Максимальные наведенные напряжения при возврате 0% тока по

рельсовой сети

Расстояние сближения (м) Наведенное напряжение (В) при удельном сопротивлении грунта (Ом-м)

100 1000 10000

50 452.3 613.3 775.5

100 351.0 511.7 674.0

200 252.2 411.5 287.0

500 131.1 281.5 221.3

1000 60.0 186.8 172.2

2000 20.3 102.3 123.9

5000 3.7 29.6 64.2

10000 0.9 8.6 29.3

Таблица 1.2 - Максимальные наведенные напряжения при возврате 50% тока по

рельсовой сети

Расстояние сближения (м) Наведенное напряжение (В) при удельном сопротивлении грунта (Ом-м)

100 1000 10000

50 228.3 309.0 389.7

100 176.9 256.4 337.5

200 126.5 206.0 286.9

500 65.8 141.0 221.3

1000 30.2 93.5 172.2

2000 10.2 51.2 123.9

5000 1.9 14.7 64.2

10000 0.5 8.6 29.3

Таблица 1.3 - Максимальные наведенные напряжения при возврате 90% тока по рельсовой сети

Расстояние сближения (м) Наведенное напряжение (В) при удельном сопротивлении грунта (Ом-м)

100 1000 10000

50 49.1 64.9 81.0

100 36.5 52.2 68.3

200 25.9 41.2 57.6

500 13.6 28.4 44.3

1000 6.3 18.8 34.5

2000 2.2 10.4 24.8

5000 0.4 3.0 12.9

10000 0.08 0.9 5.9

Таблица 1.4 - Максимальные наведенные напряжения при возврате 95% тока по

рельсовой сети

Расстояние сближения (м) Наведенное напряжение (В) при удельном сопротивлении грунта (Ом-м)

100 1000 10000

50 26.8 34.4 42.5

100 20.0 26.6 34.6

200 13.4 21.0 29.0

500 7.1 14.3 22.2

1000 3.8 9.5 17.3

2000 1.2 5.3 12.4

5000 0.2 1.5 6.5

10000 0.08 0.5 5.9

Таблица 1.5 - Максимальные наведенные напряжения при возврате 98% тока по рельсовой сети

Расстояние сближения (м) Наведенное напряжение (В) при удельном сопротивлении грунта (Ом-м)

100 1000 10000

50 13.4 16.1 19.3

100 8.5 11.3 14.4

200 5.9 8.6 11.8

500 3.2 5.8 9.0

1000 1.6 3.9 7.0

2000 0.5 2.2 5.0

5000 0.08 0.7 2.6

10000 0.05 0.2 1.2

Таблица 1.6 - Максимальные наведенные напряжения при возврате 100% тока по

рельсовой сети

Расстояние сближения (м) Наведенное напряжение (В) при удельном сопротивлении грунта (Ом-м)

100 1000 10000

50 4.4 4.0 3.9

100 1.5 1.1 1.0

200 0.8 0.4 0.3

500 0.5 0.25 0.1

1000 0.4 0.2 0.08

2000 0.2 0.15 0.05

5000 0.05 0.1 0.05

10000 0.05 0.05 0.05

Анализ данных, приведенных в таблицах 1.1-1.6, позволяет сделать следующие выводы. Из таблицы 1.6 следует, что при идеальной изоляции рельса от земли во всех промежуточных точках железной дороги опасных наведенных напряжений на заземленной по концам ремонтируемой линии не создается. Однако, если доля тока, текущего в земле, превысит (3-5)% от суммарного тока, потребляемого электровозом (менее 7.5 А из 150 А, подтекающих к нему по контактному проводу с каждой стороны), то опасные напряжения возникают на участках ВЛ, расположенных напротив поезда.

По мере увеличения доли тока текущего в земле максимальные значения наведенных напряжений повышаются, достигая сотен вольт для удельного сопротивления грунта 10000 Ом-м при 100% возврате тока через землю и ширине сближения менее 1 км. Соответственно растут длины зон, на которых напряжение превысит допустимые 25 В. Необходимо отметить, что стопроцентный возврат 300 А по земле невозможен даже в гипотетическом случае нарушений контактов в соединениях отдельных рельсов. Электровоз не сможет развить ток в 300 А из-за большого сопротивления возврата тока.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Залесова Ольга Валерьевна, 2018 год

Список литературы

1. Залесова О.В., Якубович М.В. Моделирование влияния железной дороги на линии электропередачи с учётом гармоник тяговой сети // Труды Кольского научного центра РАН. 2010. №1 (1). С. 102-109.

2. Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок (приложение к приказу Министерства труда и социальной защиты РФ от 24 июля 2013 г. N 328н), http://zametkielectrika.ru/novye-pravila-po-oxrane-truda-pri-ekspluatacii-elektroustanovok/.

3. Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок с изменениями на 19.02.2016 в ред. Приказа Минтруда России №74н, http://docs.cntd.ru/document/499037306.

4. Закарюкин В.П,, Крюков А.В., Асташин С.М.. Электронный журнал "Исследовано в России", 6, 68-77, 2008. http: //zhurnal. ape. relarn.ru/artides/2008/006.pdf.

5. Карякин Р.Н. Тяговые сети переменного тока: 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Транспорт - 279 с., 1987.

6. Гаврилюк В.И., Завгородний А.В. Модель распределения гармоник тягового тока в рельсовой линии // Инфомаццшно керуючi системи на залiзнiчному транспорт^ IKC3T, 2009, №4, С.40-43.

7. Косарев А.Б., Наумов А.А., Закиев Е.Э. Опасное влияние системы тягового электроснабжения переменного тока на кабельные линии СЦБ и связи // Вестник ВНИИЖТ, 2004, №1, С. 29-31.

8. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Кобычев Д.С.. Моделирование электромагнитных влияний контактной сети железных дорог на смежные линии электропередачи // Электротехнические комплексы и системы управления, 2009, №1, С.2-7.

9. Лукьянов П.Ю. Математические модели контактной сети и рельсовых цепей // Электричество, 2008, №10, С. 40-45.

10. Крюков А.В., Закарюкин В.П. Моделирование электромагнитных влияний на смежные ЛЭП на основе расчета режимов энергосистемы в фазных координатах: моно-графия. - Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та путей сообщения. - 2009. - 120 с.

11. Костенко М.В. Влияние электрических сетей высокого напряжения на техно- и биосферу / М.В. Костенко. -Л.: ЛПИ, 1984.- 56с.

12. Дроздова О.В., Якубович М.В. Исследование влияния системы тягового электроснабжения переменного тока на отключенные линии электропередачи // Вестник МГТУ, том 13, №4/2, 2010 г. стр.918-922.

13. Данилин А.Н., Ефимов Б.В., Кизенков А.Н., Селиванов В.Н., Якубович М.В. Способы снижения уровня наведенного напряжения на ремонтируемой двухцепной линии электропередачи // Труды Кольского научного центра РАН.

2012. №3 (10). С. 56-66.

14. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1 /Под ред. К.Г. Марквардта. - М.: Транспорт, 1980. 256 с.

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

16. Электроснабжение железных дорог : учебное пособие. В 2 ч. Ч1 / И.В. Игнатенко. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2013. - 113 с.

17. Дроздова О.В., Якубович М.В. Экспериментальные исследования распределения тяговых токов в рельсах и земле // Моделирование переходных процессов и установившихся режимов высоковольтной сети / Апатиты: Изд. КНЦ РАН. 2008. С. 205 с.

18. Залесова О.В. Исследование уровня наведенного напряжения на отключенной линии электропередачи, находящейся в зоне влияния тяговой сети железной дороги переменного тока // Вестник МГТУ, т. 17, № 1, стр.40-45, 2014.

19. Залесова О.В., Якубович М.В. Экспериментальное исследование спектрального состава тока в рельсах // Труды Кольского научного центра РАН.

2013. №2 (15). С. 97-102.

20. Фрайфельд А.В., Марков А.С., Тюрнин Г.А. Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети. Под ред. А.В. Фрайфельда. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Транспорт, 1974. — 416 с.

21. Электроснабжение железных дорог: учеб. для студентов университета (УрГУПС)/Э.В. Тер-Оганов, А.А. Пышкин. - Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2014 г. - 432 с.

22. Залесова О.В., Прокопчук П.И. Распределение тяговых токов в контактной сети двухпутного участка железной дороги // Труды Кольского научного центра РАН. 2015. №8 (34). С. 67-71.

23. Михеев В.П. Контактные сети и линии электропередачи: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. — М.: Маршрут, 2003. — 416 с.

24. Залесова О.В., Якубович М.В. Исследование защитного действия рельсов на однопутном участке железной дороги в зоне высокоомных грунтов // Труды Кольского научного центра РАН. 2014. №3 (22). С. 62-67.

25. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. Часть 2. Электромагнитная и гальваническая совместимость электрических ж.д. со смежными линиями. М.: Тр. МИИТ, 1998. — 150 с.

26. Залесова О.В. Моделирование электромагнитного влияния контактной сети железной дороги на отключенные воздушные линии электропередачи с помощью программы АТР-ЕМТР// Вестник МГТУ, т. т. 19, № 4, стр.715-722, 2016.

27. Гумерова Н.И., Ефимов Б.В. Влияние многослойности грунта на параметры многопроводной линии и деформацию фронтов грозовых волн / СПб.: НТВ СПбГПУ, 2009. 4-1 (89). С. 188-201.

28. Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учебник для вузов. Том 1. - 4-е изд./К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. - Спб.: Питер, 2003. - 463 с.

29. Залесова О.В., Якубович М.В. Наведенные напряжения на отключенных воздушных линиях электропередачи, вызванные воздействием тяговой сети железной дороги переменного тока // Труды Кольского научного центра РАН. 2014. №7 (26). С 50-61.

30. Бобровников, Я.Ю. Электрические железные дороги: учебное пособие / Я.Ю.Бобровников. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2010. - 79 с.

31. Селиванов В.Н. Использование программы расчета электромагнитных переходных процессов АТР-ЕМТР в учебном процессе. Вестник МГТУ, т. 12, №1, 2009 г. - стр. 107-112.