Введение к работе
Актуальность темы. Российские железные дороги являются одной из крупнейших транспортных систем мира – эксплуатационная длина на сегодняшний день составляет 85,2 тыс. км. ОАО «РЖД» занимает первое место в мире по протяженности электрифицированных линий – 43,033 тыс. км и входит в тройку самых крупных транспортных компаний мира.
Широкое внедрение электрической тяги переменного тока промышленной частоты с одновременной электрификацией прилегающих районов привело к активному развитию линий продольного электроснабжения тяговых подстанций и нетяговых потребителей железнодорожного транспорта.
Техническая политика, проводимая ОАО «РЖД» в области электроснабжения, направлена на повышение надежности электроснабжения тяговых и нетяговых потребителей. Особенно это актуально при электроснабжении нетяговых потребителей, к которым относятся и устройства железнодорожной автоматики и телемеханики, обеспечивающие безопасность движения поездов. Нарушение электроснабжения устройств железнодорожной автоматики и телемеханики может привести к нарушению графика движения поездов.
В настоящее время для уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат линии продольного электроснабжения прокладывают по опорам контактной сети переменного тока с полевой стороны, т.е. они оказываются в зоне электромагнитного влияния со стороны тяговой сети переменного тока. Электромагнитная совместимость тяговых сетей переменного тока со смежными линиями рассмотрена в работах М.П. Бадёра, Б.И. Косарева, А.Б. Косарева, Р.Н. Карякина, А.В. Котельникова, М.И. Михайлова и других ученых.
При строительстве линий продольного электроснабжения для повышения надежности применяются современные материалы, устройства и технологии: самонесущие изолированные провода (СИП), сухие силовые трансформаторы, полимерные изоляторы и др., что изменяет параметры системы электроснабжения по сравнению с применяемыми ранее техническими решениями. Требуется дополнительное изучение происходящих в этой системе процессов с учетом электромагнитного влияния контактной сети переменного тока на линии электроснабжения и оценка этого влияния на работоспособность линии электропередач (ЛЭП).
В представленной работе приведены уточненные автором методики влияния тяговых сетей на смежные линии. Рассмотрены технические решения по обеспечению электромагнитной совместимости высоковольтных линий с тяговыми сетями переменного тока.
Исследование, представленное в качестве диссертационной работы, проводилось в течение ряда лет (2009 – 2012 гг.) совместно специалистами ОАО «ВНИИЖТ» и Северной железной дороги – филиала ОАО «РЖД», и направлено на обеспечение безаварийного функционирования и безопасного выполнения работ на воздушных линиях (ВЛ), расположенных в зонах электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока.
Цель работы - разработка методов и технических решений по обеспечению электромагнитной совместимости системы электроснабжения нетяговых потребителей, питаемых от воздушных линий 10 кВ с СИП, при их расположении в зонах электромагнитного влияния контактной сети переменного тока с усиливающими проводами.
Основные задачи:
1. Разработка математической модели системы электроснабжения нетяговых потребителей при расположении питающей линии 10 кВ на опорах контактной сети напряжением 25 кВ с усиливающим проводом.
2. Обоснование методики расчета напряжения нулевой последовательности ВЛ 10 кВ, учитывающей загрузку линий электропередач, вебер–амперную характеристику трансформаторной стали трансформатора напряжения и конфигурацию верхнего строения пути.
3. Оценка перекрытия изоляции СИП 10 кВ при разрядах токов молнии в контактную сеть, ВЛ 10 кВ и в землю в непосредственной близости (не более 100 метров) от рельсов пути.
4. Разработка и внедрение технических решений по ограничению перенапряжений в ВЛ 10 кВ, носящих феррорезонансный характер, с экспериментальной оценкой внедрения в ВЛ 10 кВ с СИП резистивно–емкостного фильтра для ограничения до допустимых значений напряжений нулевой последовательности.
5. Обоснование концепции безопасного обслуживания ВЛ 10 кВ с СИП без снятия напряжения с контактной сети переменного тока.
6. Верификация предложений в работе защит ВЛ 10 кВ с СИП от опасного электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока.
Объект исследования: Высоковольтные линии продольного электроснабжения нетяговых потребителей.
Предмет исследования: Обеспечение электромагнитной совместимости системы электроснабжения нетяговых потребителей, питаемых от ВЛ 10 кВ с СИП, находящейся в зонах электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока.
Методы исследования.
Для достижения поставленной цели использованы методы анализа электромагнитных процессов в ВЛ 10 кВ с СИП, в том числе и в грозовой период, с применением математического моделирования. При оценке электрического и магнитного влияния напряжения контактной сети на СИП 10 кВ использовалась теория конформного отображения.
При обосновании концепции безопасного обслуживания ВЛ 10 кВ с СИП без снятия напряжения с контактной сети учитывался вероятностный характер воздействующих напряжений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика расчета напряжения нулевой последовательности фазных напряжений ВЛ 10 кВ, отличающейся от известных учетом электромагнитного влияния сложных и неоднородных тяговых сетей переменного тока;
2. Обоснован алгоритм выбора параметров резистивно–емкостного фильтра, включение которого в ВЛ 10 кВ позволяет уменьшить до допустимых значений электрическую и магнитную составляющую влияния контактной сети на ВЛ 10 кВ;
3. Предложена методика расчета грозовых перенапряжений в ВЛ 10 кВ с СИП при разрядах токов молнии в контактную сеть, СИП 10 кВ и в землю в непосредственной близости от рельсового пути;
4. Выполнен анализ результатов расчета и данных экспериментальных исследований на участке Буй – Вологда Северной железной дороги по оценке влияния предложенного резистивно–емкостного фильтра в части достижения нормируемых значений напряжения нулевой последовательности.
5. Разработана концепция обеспечения безопасности работ на ВЛ 10 кВ с СИП при её расположении на опорах без снятия напряжения с контактной сети переменного тока.
Практическая значимость результатов работы.
Результаты исследований на действующем участке Северной железной дороги позволили усовершенствовать и внедрить систему электроснабжения нетяговых потребителей.
1. Методика расчета электромагнитного влияния системы тягового электроснабжения переменного тока на ВЛ 10 кВ с СИП позволила оценить уровни перенапряжений в отключенных от источника питания и в слабозагруженных ВЛ 10 кВ.
Данные аналитических расчетов и результатов экспериментальных исследований дали возможность наметить пути ограничения перенапряжений на действующем участке Северной железной дороги.
2. Алгоритм расчета и выбора параметров резистивно–емкостного фильтра позволил получить данные о величине напряжения нулевой последовательности фазных напряжений ВЛ 10 кВ при включении шкафа резистивно-емкостного заземления нейтрали (ШРЕЗН), а также оценить эффективность внедрения в ВЛ 10 кВ других устройств, в частности резисторов, емкостей, на достижение эффекта ограничения напряжения нулевой последовательности.
3. Установлено, что применительно к ВЛ 10 кВ с СИП наиболее опасный режим, обусловленный разрядами токов молнии, имеет место при попадании тока молнии в землю в непосредственной близости (не более 100 метров) от рельсового пути.
4. Разработанная концепция выполнения профилактических работ на ВЛ 10 кВ с СИП без снятия напряжения с контактной сети позволила обосновать расстояние между заземляющими штангами и предложить специально разработанные зажимы, исключающие попадание влаги в места нарушения изоляции СИП.
Внедрение результатов работы. Предложенная в работе система электроснабжения нетяговых потребителей при расположении ВЛ 10 кВ с СИП на опорах контактной сети защищена патентом РФ № 80146 на полезную модель и внедрена на участке Буй – Вологда Северной железной дороги – филиала ОАО «РЖД» (Акт внедрения приложен к диссертации).
Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты доложены на научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2009 и 2010 гг.), на заседаниях научно-технического совета отделения «Электрификация и электроснабжение железных дорог» ОАО «ВНИИЖТ».
Публикации. По теме диссертационной работы имеются 7 публикаций, в том числе 3 работы, в рекомендованных ВАК журналах и 1 патент на полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, содержит 134 страницы машинописного текста, 17 рис., 12 таблиц. Список литературы включает 95 наименований.
