Совершенствование системы заземления опор контактной сети в тяговом электроснабжении переменного тока Терёхин Илья Александрович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Одним из основных направлений
научных исследований, предусмотренных «Стратегией развития

железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г.», является
применение малообслуживаемых конструкций системы электроснабжения.
Решить данную задачу можно за счет модернизации устройств

электроснабжения, отказавшись от заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть, что позволит существенно повысить надежность системы электроснабжения и снизить расходы на ее дальнейшую эксплуатацию за счет исключения отказов в работе рельсовых цепей, уменьшения расходов на содержание и обслуживание заземляющих устройств, снижения вероятности повреждения опорных конструкций контактной сети.

Для внедрения такой системы на сети железных дорог необходимо проведение полноценных теоретических и экспериментальных исследований по вопросам методики определения рациональной длины троса группового заземления (ТГЗ), оценки условий электробезопасности при нахождении человека рядом с опорами, не заземленными на тяговую рельсовую сеть, и степени электромагнитного влияния на смежные линии связи.

Таким образом, оценка использования опор контактной сети переменного тока в качестве заземлителей в условиях модернизации и стремления к эффективному функционированию железнодорожного транспорта Российской Федерации является актуальной задачей.

Степень разработанности темы диссертации. Существенный вклад в исследование возможности использования железобетонных фундаментов опор линий электропередачи в качестве заземлителей, электромагнитного влияния электрических железных дорог на смежные линии и электробезопасности в тяговых сетях переменного тока внесли: Бадер М. П., Бернацкий А. Ф., Бургсдорф В. В., Долин П. А., Дынькин Б. Е., Карякин Р. Н., Катигроб Н. П., Кондратьев Ю.В., Косарев Б. И., Кремлев И. А., Кузнецов К. Б., Кудрявцев А. А., Марквардт К. Г., Оллендорф Ф., Сумин А. Р., Целебровский Ю. В., и другие исследователи.

Этими авторами разработаны способы, методы и правила использования
железобетонных фундаментов опор в качестве естественных заземлителей,
критерии оценки электробезопасности в тяговых сетях переменного тока, и
электромагнитного влияния электрических железных дорог на смежные линии.
Дана оценка влияния длины троса группового заземления на

электробезопасность при эксплуатации контактной сети. Однако

представленные сведения по большей части касаются лишь традиционной системы заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации тяговой сети переменного тока за счет совершенствования системы заземления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. составить имитационную модель конструкции фундамента металлической и железобетонной опоры контактной сети как элемента электротехнической схемы и оценить возможность использования опор в качестве заземлителей;

2. разработать методику оценки электромагнитной совместимости системы электроснабжения при эксплуатации тяговой сети без заземления опор контактной сети на рельсовую сеть;

3. разработать алгоритм определения рациональной длины троса группового заземления при отсутствии заземления опор контактной сети на рельсовую сеть;

4. выполнить экспериментальную оценку возможности использования системы электроснабжения без заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись основные положения и методы теории электроснабжения, планирования эксперимента, математического и системного анализа, теории электрических измерений, математического и имитационного моделирования.

Экспериментальная оценка проводились на объектах систем тягового электроснабжения переменного тока Западно-Сибирской железной дороги. Научная новизна работы заключается в следующем:

5. сформирована имитационная модель и получено новое выражение для расчета допустимой плотности тока, стекающего с арматуры железобетонных фундаментов опор контактной сети, учитывающая удельное сопротивление бетона, зависящее от влажности и температуры конструкции;

6. разработана математическая модель расчета опасного напряжения в кабельной линии при магнитном влиянии, учитывающая экранирующее действие троса группового заземления в зависимости от его длины;

7. предложен и реализован новый алгоритм выбора рациональной длины троса группового заземления системы тягового электроснабжения переменного тока без заземления опор контактной сети на рельс, с учетом нормируемых показателей по допустимой плотности тока, стекающего с арматуры, электромагнитного влияния, условий электробезопасности и действия релейной защиты.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена сходимостью экспериментальных исследований, проведенных на калиброванном и поверенном оборудовании, с результатами моделирования. Расхождение результатов моделирования и экспериментальных данных составило не более 10 %.

Практическая значимость работы заключается в следующем: 1) разработанная имитационная модель по расчету допустимой плотности тока, стекающего с металлических опор с универсальным модернизированным трехлучевым фундаментом (ТСА) и железобетонных стоек конических центрифугированных (СКЦ), позволяет формировать рекомендации по переводу участков дистанции электроснабжения на работу без заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть посредством объективной оценки удельного сопротивления бетона опор контактной сети;

2. усовершенствованная математическая модель позволяет определить уточненные значения опасного напряжения посредством учета действительной длины троса группового заземления при эксплуатации тяговой сети без заземления опор на тяговую рельсовую сеть;

3. разработанный алгоритм выбора рациональной длины троса группового заземления позволяет определить протяженность объединения опор контактной сети в группу при отсутствии заземления на тяговую рельсовую сеть посредством учета и оценки показателей системы тягового электроснабжения;

4. предложен новый тип конструкции фундамента металлических опор контактной сети с выводом заземления, объединенного с арматурной сеткой, позволяющий применить его для перевода тяговой сети на работу без заземления на рельс.

Реализация результатов работы. Методика определения оптимальной длины троса группового заземления при отсутствии соединения опор контактной сети с рельсами внедрена в технологические процессы на участке Карасук – Зубково Карасукской дистанции электроснабжения ЗСЖД.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) имитационная модель расчета допустимой плотности тока, стекающего
с арматуры железобетонных фундаментов опор контактной сети, учитывающая
удельное сопротивление бетона и условия окружающей среды;

2) математическая модель по определению опасного напряжения в
кабельной линии при магнитном влиянии, учитывающая экранирующее
действие троса группового заземления;

3) алгоритм выбора рациональной длины троса группового заземления при
эксплуатации системы тягового электроснабжения переменного тока 27,5 кВ без
заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на республиканской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Ташкент, 2013); XXXI международной

научно - практической конференции «Технические науки – от теории к практике»
(Новосибирск, 2014); на восьмой научно-практической конференции

«Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2014); на трех научно - технических семинарах кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» (Омск, 2015 - 2017); на LXXI международной научно – практической конференции «Технические науки – от теории к практике» (Новосибирск, 2017), на научной конференции «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2018).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе пять статей – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, и один патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 106 наименований и двух приложений и содержит 135 страниц основного текста, 47 рисунков и 27 таблиц.