Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обобщение опыта эксплуатации и анализ факторов, определяющих требования и критерии выбора параметров элементов рельсовой сети при электрической тяге 11
1.1. Эксплуатационные и технические требования к выбору параметров рельсовой сети в системе тягового электроснабжения 11
1.2. Общие требования и особенности построения обратной тяговой рельсовой сети 38
1.3. Условия передачи энергии сигнального тока по рельсовой линии 52
Глава 2. Усиление устройств тягового электроснабжения при пропуске поездов повышенного веса и длины 61
2.1. Обоснование критериев выбора параметров элементов обратной тяговой рельсовой сети при пропуске поездов повышенного веса и длины 61
2.2. Обоснование применения и выбор мест подключения между путных и междурельсовых перемычек при электрической тяге 76
2.3. Требования к сборному рельсовому стыку с учетом обеспечения нормального функционирования системы тягового электроснабжения и рельсовых цепей 91
2.4. Основные требования по подключению к рельсовой сети отсасывающих фидеров тяговых подстанций и автотрансформаторных 95
Глава 3. Исследование гальванического влияния электрической тяги на работу работу рельсовых цепей и смежные устройства 98
3.3. Гальваническое влияние тяговых сетей с неоднородными электрическими параметрами рельсовых линий 98
3.2, Исследование влияния тяговой сети на рельсовые цепи 107
3.2.1. Оценка гальванического влияния тягового тока 1 07
3.2.2. Влияние тяговой сети переменного тока на рельсовые цепи без изолирующих стыков
Глава 4. Разработка основных принципов совместимости обратной тяговой рельсовой сети с устройствами регулирования движения поездов и смежными системами и коммуникациями 124
4.1. Основные принципы обеспечения совместимости 124
4.2. Расчет перенапряжений и потенциального состояния рельсовой сети при поездах повышенного веса и длины 127
4.3. Разработка требований и выбор параметров аппаратуры при подключении к рельсовым путям различного рода устройств и систем 137
4.4. Оценка обеспечения экологической безопасности на станциях обработки нефтеналивных составов при электротяге 150
Выводы по работе 158
Список литературы 160
Приложения
- Общие требования и особенности построения обратной тяговой рельсовой сети
- Обоснование применения и выбор мест подключения между путных и междурельсовых перемычек при электрической тяге
- Исследование влияния тяговой сети на рельсовые цепи
- Расчет перенапряжений и потенциального состояния рельсовой сети при поездах повышенного веса и длины
Введение к работе
Электрифицированным железным дорогам во всем мире отдается явное преимущество. Длительный опыт эксплуатации подтверждает их преимущества в обеспечении надежности работы, перевозок грузов и пассажиров, в снижении себестоимости перевозок, экономии топливо-энергетических ресурсов и экологии.
Российские железные дороги занимают ведущее место по протяженности электрифицированных линий, протяженность которых составляет 40,5 тыс.км или 46,8% общей длины сети. При этом на линиях с электротягой выполняется около 70% общего объема железнодорожных перевозок. Практика показывает, что на электрифицированных участках железных дорог основные эксплуатационные показатели, определяющие эффективность перевозочного процесса (средняя масса грузового поезда, средняя участковая скорость, среднесуточный пробег локомотива) на 20-30% выше, чем при автономной тяге, суммарный экономический показатель или себестоимость перевозок в 1,5-2 раза ниже, а удельный расход условного топлива на условный измеритель ниже в 1,6 раза.
Поэтому в 2000 г. принято решение о существенном увеличении протяженности электрифицированных железных дорог на 8 тыс.км за период до 2010 года с переключением на эти линии грузовых перевозок и, прежде всего, с организацией движения поездов повышенной массы (до 6000 т) и длины.
Одновременно сеть железных дорог оснащается новейшими устройствами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) с применением устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), обладающими качественно новыми и безопасными свойствами. В основе устройств ЖАТ положено использование в качестве основного датчика контроля местонахождения поезда рельсовых цепей. Однако использование рельсов как обратного проводника в системе тягового электроснабжения для пропуска тягового тока от электроподвижного состава (ЭПС) к тяговой подстанции (ТП) требует осуществления целого комплекса технических, организационных и технологических
мероприятий, направленных на обеспечение безотказной работы рельсовых цепей СЦБ и автоматической локомотивной сигнализации (АЛС). Прежде всего должна быть обеспечена высокая степень надежности обратной тяговой (рельсовой) сети (ОТС) как проводника тягового и сигнального токов. С другой стороны, необходимо стремиться к полной электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств электроснабжения, СЦБ и связи, а также к нормальному функционированию технических средств, обеспечивающих электробезопасность на электрифицированных линиях. Это особенно необходимо выполнять при организации пропуска поездов повышенной массы и длины [1].
Одновременно должны учитываться и проблемы электромагнитного влияния ("загрязнения") электрифицированного транспорта на смежные устройств ( в том числе и на устройства ЖАТ) и окружающую обстановку. Этот тезис основан на том, что электромагнитные поля (ЭМП), создающиеся тяговой сетью системы электроснабжения транспорта, формируют в окружающем пространстве электромагнитную обстановку (ЭМО) в ряде случаев опасную не только для технических устройств, но и для всего живого. Как показывает практика, это может являться одним из важнейших условий нормального функционирования многочисленных технических средств и объектов, обеспечивающих не только экологическую безопасность в зоне электромагнитного влияния, но и безопасность движения поездов, а также комфортность пассажиров. С этой целью как у нас в стране, так и в мировой практике развернуты в настоящее время как исследовательские, так и практически проектно-конструкторские работы, направленные на разработку методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в зонах влияния ЭМП и, прежде всего, в пределах электрифицированных железных дорог.
Поэтому целевыми критериями при построении и эксплуатации обратной тяговой рельсовой сети при электрической тяге постоянного и переменного тока должны быть:
обеспечение ЭМС и снижение отрицательных воздействий проявления тягового тока на работу устройств ЖАТ и, прежде всего, на рельсовые цепи СЦБ и АЛС;
уменьшение величины потенциалов на ходовых рельсах ОТС по отношению к земле и снижение в связи с этим потенциально возможных электрокоррозионных и электромагнитных процессов на всех металлоконструкциях, имеющих соединение с рельсами, а также на подземных коммуникациях;
- обеспечение требуемых нормативных показателей в части влияния
электрической тяги на смежные устройства, коммуникации и окружающую
среду в зоне электрифицированных железных дорог. Под смежными устройст
вами понимается: кабельные линии связи, телемеханики и устройств СЦБ,
рельсовые цепи с подключенной к ним аппаратурой устройств ЖАТ, устройст
ва и конструкции, находящиеся в зоне электромагнитного влияния электрофи-
цированных железных дорог;
- снижение потерь электроэнергии и напряжения "рельс - земля" в обрат
ной тяговой (рельсовой) сети и, прежде всего на линиях, где обращаются поез
да повышенной массы и длины;
- ограничение термического воздействия тяговых токов на элементы
рельсовой сети (дроссель-трансформаторы, стыковые электротяговые соедини
тели, перемычки, заземляющие проводники, устройства, подключаемые к рель
сам, и т.п.;
- обеспечение требований электробезопасности как для обслуживающего
персонала, так и пассажиров, пользующихся железнодорожным транспортом.
И в основе этих направлений должен быть положен принципе технико-экономической эффективности как всех технический и организационных предложений, так и работы железных дорог в целом по каждому направлению, где обращаются поезда повышенного веса и длины, а также скоростное и пригородное сообщение.
В нашей стране и за рубежом проводятся научные исследования, направленные на решения этих проблем [2 - 74].
Болылой вклад в решение вопросов нормального функционирования устройств СЦБ на электрифицированном транспорте внесли доктора технических наук: А.М.Брылеев, В.И.Вахнин, К.Г.Марквардт, В.Н.Пупынин, Ю.А.Кравцов, А.В.Котельников, Б.И.Косарев, А.Б.Косарев, В.М.Лисенков, Р.Н.Карякин, А.П.Разгонов и др. Существенную долю предложений по построению ОТС внесли: И.М.Ершов, В.И.Иванова, А.В.Кузнецов, Е.И.Быков, Ю.И.Зенкович, Б.М.Степенский, В.П.Кручинин, В.Г.Каратаев, А.Н.Кудрявцев, Д.В. Ермоленко и др. [2-81] Среди зарубежных ученых и практиков проблемам по разработке требований к рельсовой линии обратной тяговой сети посвятил свои работы: А.Бялонь (Польша).
Однако, отсутствие комплексного подхода к проблемам построения цепи обратного тягового тока, неучет многих эксплуатационных факторов, существенно определяющих качественную и экономическую стороны, не позволяют сделать заключение об исчерпывающем решении всей проблемы. Это особенно усугубляется при организации поездов повышенной массы и длины, а также на скоростных и пригородных линиях при повышении интенсивности движения, а также в метрополитенах. Недостаточно были изучены вопросы влияния асимметрии рельсовых линий на режимы работы рельсовых цепей СЦБ и АЛС, что не позволяет в полном объеме решать вопросы, связанные с заземлением на рельсы различных сооружений [3-9]. Не были решены, в должной мере, вопросы термической стойкости элементов обратной тяговой рельсовой сети, что сдерживало внедрение более мощных систем тягового электроснабжения (СТЭ) и ЭПС, вызванное повышением массы и длины поездов, а также интенсивности движения. Важной задачей исследований явилось и уточнение потенциального состояния рельсов с тем, чтобы установить требования к параметрам устройств и элементов, подключаемых к рельсам сети при электротяге постоянного и переменного тока.
При увеличении весов и длин поездов, а следовательно и токовых нагрузок, необходимо правильно оценивать электромагнитное влияние систем тяго-
-9-вого электроснабжения на кабельные линии связи и устройства СЦБ, что очень важно для обеспечения безопасности.
Для достижения этих целей были поставлены следующие теоретические и практические задачи:
проведение анализа существующих способов построения обратной тяговой рельсовой сети и разработка требований к отдельным её составляющим элементам;
исследования по качественной и количественной оценке влияния интенсивности движения и массы поезда на потенциальное состояние рельсов и температурные режимы элементов ОТС;
исследование совместимости устройств ЖАТ в зоне гальванического и электромагнитного влияния различных систем тягового электроснабжения в условиях движения поездов повышенного веса и длины, и прежде всего, при расстановке междупутных перемычек;
исследования по разработке новых схем подключения различных устройств к рельсовой сети при электротяге постоянного и переменного тока.
Исследования, представленные в настоящей диссертационной работе, проводились в течение последних ряда лет (1998-2003 гг.) согласно практическим задачам, поставленным МПС РФ, в частности, Департаментами сигнализации, централизации и блокировки (ЦШ МПС РФ), электрификации и электроснабжения (ЦЭ МПС РФ), пути (ЦП МПС РФ), безопасности движения ЦРБ МПС РФ), а также научно-техническим советом МПС и его отдельными секциями. Базой исследований явились технически оснащенные участки железных дорог с электротягой постоянного и переменного тока, метрополитены (г.Москва, г. Нижний Новгород), а также Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ МПС.
В результате решения при участии и под руководством ряда разделов тематики автора настоящей работы получены результаты:
- разработка математической модели для расчета опасного влияния сис
темы тягового электроснабжения на кабельные линии связи и устройства СЦБ
разработаны модели рельсовых сетей при электротяге постоянного и переменного тока с установлением требований к отдельным элементам и устройствам, подключаемым к рельсам;
исследованы и получены аналитические зависимости эффективных токов в рельсах с учетом движения поездов повышенного веса и длины, дана оценка термической устойчивости элементов обратной тяговой рельсовой сети в широком диапазоне использования пропускной способности и профиля пути;
обоснованы организационно-технические мероприятия и разработаны предложения по обеспечению электромагнитной и экологической совместимости смежных систем и коммуникаций;
разработан и внедрен целый комплекс технических решений, методических и методологических нормативных документов в части построения обратной тяговой рельсовой сети.
В частности, с участием автора разработаны и утверждены МПС "Методика расчета эффективных токов в элементах обратной тяговой рельсовой сети при электротяге постоянного и переменного тока", Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту устройств электроснабжения сигнализации., централизации и блокировки и связи на федеральном железнодорожном транспорте (ЦЭ-881, 2002 г.), Инструкция по организации, обращению грузовых поездов повышенного веса и длины на железных дорогах Российской Федерации (№ ЦД-ЦТ-851, 2001 г.) и другие нормативные документы по построению обратной тяговой рельсовой сети при электрической тяге, широко применяемые на сети железных дорог.
Материалы диссертационной работы докладывались на НТС комплексного отделения ТЭ ВНИИЖТ, на Международном симпозиуме "Электрификация и развитие железнодорожного транспорта" (ПГУПС г.Санкт-Петербург, 2001 г.), научной конференции молодых ученых и аспирантов по современным проблемам железнодорожного транспорта (г.Москва, 2003 г.), конференции по ресурсосберегающим технологиям (г.Москва, МГУПС, 2001 г.), конференции мо-лодных ученых (г.Москва, ВНИИЖТ, 2002 г.).
Общие требования и особенности построения обратной тяговой рельсовой сети
В системе электроснабжения железных дорог и метрополитенов, как уже указывалось выше, рельсовая сеть используется в качестве обратного провода. При этом ходовые рельсы соединяют с минусовой шиной (или фазой "С" при электротяге переменного тока) тяговой подстанции отсасывающими фидерами (рис. 1.1). Одновременно эти рельсы служат проводниками сигнального переменного тока рельсовых цепей СЦБ и АЛС, обеспечивающих безопасность движения поездов [2-68]. Ходовые рельсы секционируют, разделяя их изолирующими стыками на электрически не соединенные друг с другом рельсовые цепи или блок-участки (рис. 1.2, а, б). При двухниточных рельсовых цепях для пропуска тягового тока используются обе рельсовые нити, а при однониточной - одна (рис. 1.2, а, б).
При этом сигнальный ток установленной частоты (25 и 50 Гц. 420- 780 Гц и 4,5 -5,5 кГц) для каждой рельсовой цепи протекает по рельсам в пределах каждого изолированного участка пути. Чтобы обеспечить сквозное протекание тягового тока в обход изолирующих стыков устанавливаются при двухниточных рельсовых цепях специальные дроссель-трансформаторы (рис. 1.3), имеющие малое омическое сопротивление (для постоянного тока) и сравнительно высокое - для переменного (индуктивное).
На участках с однониточными рельсовыми цепями ходовые рельсы, используемые для пропуска тягового тока, оборудуются специальными электротяговыми соединителями (ЭТС). В настоящее время широко применяются бесстыковые рельсовые цепи (БРЦ) или тональные (ТРЦ). Это позволяет отказаться в большинстве случаев от использования дроссель-трансформаторов (ДТ), их применение обуславливается исключительно необходимостью подключения заземляющих устройств (ЗУ) и отсасывающих фидеров тяговых подстанций (ТП) и автотрансформаторных пунктов (АТП).
Таким образом, в систему цепи обратного тягового тока при ЭРТ постоянного и переменного тока входят ходовые рельсы, дроссельные стыки (дроссель-трансформаторы, междроссельные и дроссельные перемычки), стыковые и стрелочные ЭТС, междупутные перемычки и отсасывающие фидера ТП, составляющие комплекс элементов обратной тяговой (рельсовой) сети (ОТС) при электрической тяге постоянного и переменного тока. От выбора определенных и строго нормируемых параметров этих элементов определяется и качество в целом системы тягового электроснабжения, которая должна обеспечивать: - непрерывную цепь по канализации тяговых токов, токов электрообогрева и сигнального тока рельсовых цепей СЦБ в пределах фидерной зоны и устойчиво обеспечивать электроэнергией подвижной электротранспорт; - надежную работу устройств защиты от токов короткого замыкания (ткз) в системе тягового электроснабжения и зашиту от атмосферных (грозовых) перенапряжений; - нормальное функционирование устройств СЦБ и АЛС; - требования электробезопасности; - нормативные требования по ограничению утечки тяговых токов и защиту от электрокоррозии подземных металлических сооружений и конструкций; - нормируемые параметры электромагнитной совместимости электротяги смежных устройств (волноводных, кабельных и воздушных линий связи и специальных цепей в виде усиливающих и экранирующих подвесных проводов -на опорах контактной сети).
Поскольку путевой дроссель-трансформатор имеет вывод от середины обмотки для пропуска тягового тока в соседнюю РІД в обход изолирующих стыков (ИС). Вследствие этого магнитные потоки, возникающие в сердечнике ДТ от тягового тока в каждой рельсовой нити, противоположны по направлению. По этой причине в создании помехи участвует только разностный магнитный поток. Этот поток создается разностью токов в первом и втором рельсах, который проходит по половине обмотки ДТ. Установление нормативных уровней тока помехи является одним их основополагающих факторов при разработке требований к элементам ОТС.
В п. 1.1 показано, что в системе тягового электроснабжения постоянного и переменного тока имеется много вариантов ее реализации (многопроводные тяговые сети), каждый из которых дает те или иные преимущества при постепенном (поэтапном) повышении энергопотребления на тягу поездов.
Идея максимальной симметрии передачи энергии для электрической тяги при минимальном влиянии на смежные линии идеально реализуется при применении коаксиального кабеля, где практически отсутствует внешнее электромагнитное поле и минимальны потери энергии. Вышеописанная система с экранирующими и усиливающими проводами является как бы промежуточным этапом к применению системы с коаксиальными кабелями, которое начнется по мере освоения промышленностью производства таких .кабелей. При этом перспективным будет использование в этих кабелях эффекта высокотемпературной сверхпроводимости.
Для повышения надежности работы системы электроснабжения и оперативных возможностей при устранении аварийных ситуаций контактную сеть секционируют. При этом контактную сеть главных путей перегонов отделяют от сети главных путей станций посредством устройства изолирующих сопряжений (воздушных промежутков) или секционных изоляторов, оборудуемых секционными разъединителями. Если длина фидерной зоны между питающими тяговыми подстанциями превышает 12 км при постоянном тяговом токе или 60 км при переменном, в середине такой зоны для дополнительного секционирования контактной сети устанавливают посты секционирования.
В целях снижения потерь энергии и напряжения в контактной сети в нормальном режиме работы электрифицированного двухпутного участка на посту секционирования осуществляется параллельное соединение контактной сети обоих путей. На крупных станциях контактная сеть одного главного пути отделяется от сети другого, а также от сети боковых путей при помощи секционных изоляторов, которые шунтируются разъединителями для возможности подачи напряжения на секцию в случае повреждения питающего фидера.
Питание контактной сети от тяговых подстанций осуществляется через быстродействующие фидерные выключатели, причем, как правило, контактная сеть станционных путей, а также каждого из путей перегона получает питание от отдельных фидеров.
С целью дальнейшего повышения эффективности использования контактной сети вместе с узловой схемой соединения контактной сети фидерной зоны (с постом секционирования) при электротяге постоянного тока широко применяют пункты параллельного соединения путей. Устанавливаются два пункта параллельного соединения: каждый в середине между подстанцией и постом секционирования. Такая схема соединенрія, которая получила название параллельной, позволила обеспечить пропуск части тяговой нагрузки по контактной сети соседнего пути (35 - 40% на горных и до 24% на равнинных участках). Эффективность схемы значительно возрастает, если вместе с ней применяется рекуперативное торможение электроподвижного состава.
Для всех видов электрифицированного рельсового транспорта оказалось характерным использование ходовых рельсов в качестве обратного провода системы электроснабжения поездов. Это связано с целым рядом значительных преимуществ: отсутствие необходимости вообще сооружения специального обратного провода, минимальные потери энергии и напряжения в обратной цепи (медный эквивалент двух рельсовых ниток - 800 - 1000 мм ), единая "магистраль заземления" для электроподвижного состава, опор контактной сети и другого электрооборудования, размещаемого на перегонах.
Обоснование применения и выбор мест подключения между путных и междурельсовых перемычек при электрической тяге
Повышение эффективности рельсовой сети как линии для протекания обратного тягового тока неразрывно связано с установкой междупутных и междурельсовых перемычек (см. рис. 1.4). Их применение позволяет уменьшить сопротивление рельсовой линии тяговому току, ограничить энергетические потери, снизить блуждающие токи в земле, улучшить работу элементов рельсовой сети (и, прежде всего, дроссель-трансформаторов, дроссельных перемычек и соединителей] в части уменьшения нагрева и влияния на рельсовые цепи асимметрии тягового тока.
Основные концепции, касающиеся выбора места расположения междупутных перемычек (МП) должны включать следующие обстоятельства: - перемычки должны способствовать улучшению работы системы тягового электроснабжения (СТЭ) как в нормальном, так и при вынужденных режимах с учетом и требований электробезопасности; - установка перемычек не должна приводить к ухудшению нормального функционирования рельсовых цепей СЦБ; - применение перемычек должно способствовать снижению электрокоррозионной повреждаемости как надземных, так и подземных коммуникаций и сооружений. С учетом этих положений установлено: - из всех вариантов схем размещения МП наилучший результат достигается для участков с режимами тяги, трогания, а также при установке в середине участка; - размещение перемычек неразрывно связано с уменьшением асимметрии тягового тока, т.е. с повышением надежности работы рельсовых цепей и АЛС.
В рамках настоящей работы были проведены обширные исследования по трем направлениям в части применения МП: - анализ токов, протекающих через перемычки; - выбор длины и сечения перемычек; - обеспечение нормального функционирования рельсовых цепей СЦБ (с изолирующими стыками и тональных).
Проведенные измерения токов в МП и анализ работы перемычек на модели показал, что их эффективность существенно возрастает на скоростных участках, на подъемах и при организации вождения сдвоенных (строенных) поездов. Величины токов в МП показаны на графиках рис.2.5. Очевидно, что в среднем до 30-35% тягового тока каждого из поездов может протекать через МП. Установлено, что уровень тока в МП зависит не только от числа поездов, находящихся на пути в тяговом режиме, но и числа самих перемычек, установленных на данном перегоне. На рис. 2.5 приведены регистрограммы токов в МП при их подключении через три рельсовых цепи (в), через две (б) и в каждом дроссельном пункте (и). Из этих регистрограмм видно, что максимальный уровень тягового тока, протекающего по МП, составляет 420 А при устройстве соединений через рельсовые цепи. При установке МП в каждом дроссельном пункте этот ток в два раза ниже. Проведенные исследования позволили получить объективную характеристику токовой нагрузки МП при электротяге.
Использование рельсов в качестве обратного провода для пропуска тягового тока требует осуществления целого комплекса мероприятий (технических и организационных), направленных на обеспечение безотказной работы железнодорожных устройств, имеющих в своей структуре тяговые рельсовые нити. Прежде всего должна быть обеспечена высокая надежность обратной тяговой рельсовой сети как проводника тягового и сигнального токов. С другой стороны, необходимо стремиться к полной электромагнитной совместимости устройств тягового электроснабжения, МЦБ и связи, а также к нормальному функционированию технических средств, обеспечивающих электробезопасность на электрифицированном транспорте.
Целевыми задачами оборудования тяговой рельсовой сети междупутными перемычками (МП) являются: снижение потерь энергии и напряжения в обратной рельсовой сети; сглаживание термического воздействия тяговых токов на элементы рельсовой сети (дроссель-трансформаторы, стыковые соединители, перемычки, заземляющие устройства и т.п.); выравнивание потенциалов ходовых рельсов по отношению к земле и снижение в связи с этим потенциально возможных электрокоррозионных процессов на всех металлоконструкциях, имеющих соединение с рельсами, и на подземных коммуникациях; снижение отрицательных последствий проявления асимметрии тяговых токов на работу рельсовых цепей СЦБ и АЛС
Названным четырем задачам удовлетворяет условие наиболее частого электрического соединения рельсовых нитей разных путей, т.е. максимально возможного числа МП. Однако технические требования к различным системам, использующим рельсы в качестве одного из своих функциональных элементов электроснабжение, рельсовые цепи СЦБ и АЛС, заземление), не позволяют однозначно решим этот вопрос. Так, требования системы тягового электроснабжения обязательно связывают электрически рельсовые нити главных путей в пунктах отсоса тяговых токов. Ограничительные требования по размещению междупутных перемычек выдвигаются прежде всего: условиями обеспечения нормального функционирования рельсовых цепей СЦБ и АЛС (по сопротивлению цепи обхода для сигнального тока); условиям прокладки (наличие дроссельных стыков на путях); потенциальными условиями тяговой рельсовой сети при расстановке перемычек на расстоянии чаще друг о друга, чем это обусловливается их эффективностью. Известно, что тяговый ток, проходящий через МП, изменяется во времени и зависимости от режима работы тяговых двигателей ЭПС и перемещения нагрузки на фидерной зоне. Если параметры путей одинаковы, а падение напряжения в МП мало, тяговый ток распределяется равномерно по обоим путям (при отсутствии тяговой нагрузки по другому пути). Когда поезда на разных путях находятся в створе с дроссель-трансформаторами (ДТ), то в перемычке при одинаковых нагрузках равен нулю. Регистрограммы, приведенные на рис. 2.5, показывают, что максимальный тяговый ток в МП достигает 420 А при устройстве соединений через три рельсовые цепи при токе поезда 3000 А (электротяга постоянного тока) на одном из путей. Для участков с интенсивным движением поездов (частые остановки и трогание, что характерно для пригородного движения) для обоих путей среднесуточный ток в МП составляет не более 200 А. При электротяге переменного тока ток в перемычке составляет в нормальном режиме работы системы тягового электроснабжения не более 150 А при общем токопотреблении 800... 1000 А (в среднем за сутки не более 50 А), а в режиме к.з. на рельсы вблизи МП может достигать до 30% тока к.з.
В целях установления ограничительных требований по влиянию на рельсовые цепи СЦБ (РЦ) и АЛС были проведены испытания как для стыковых РЦ (сигнальный ток частотой 25 и 50 Гц), так и бесстыковых РЦ (БРЦ) при тональных РЦ с сигнальным током тональной частоты от 420 до 1000 Гц. Известно, что подключение к средним точкам ДТ параллельных рельсовых путей, имеющих собственные входные сопротивления (рис. 2.6), снижает общее эквивалентное сопротивление рассматриваемого РЦ, в результате чего существенно изменяется характер распределения сигнального тока в шунтовом и контрольном режимах работы РЦ. На практике достаточно проверить в таких случаях выполнение контрольного режима.
Исследование влияния тяговой сети на рельсовые цепи
Известно, что на рельсовые цепи оказывает влияние тяговый ток как при электротяге постоянного переменного тока. Применяемые в настоящее время элементы обратной тяговой рельсовой сети имеют ограничения по термическому воздействию и по величине тока асимметрии, оказывающего мешающее воздействие на работу рельсовой цепи СЦБ. Особенно в сильной степени это проявляется при движении поездов повышенного веса и длины [2]. Исследованиями ВНИИЖТа при участии автора настоящей работы показаны не только запасы элементов ОТС по термической устойчивости (Приложение &), но и разработаны необходимые технические и организационные мероприятия по усилению обратной тяговой рельсовой сети в системах электроснабжения постоянного и переменного тока [2-8]. В то же время величина тока асимметрии, превышающая допустимый уровень, может приводить к многочисленным сбоям в работе устройств СЦБ при движении тяжеловесных поездов (см. п. 1Л). Это происходит потому, что тяговые токи первой І ті и второй 1Т2 рельсовых нитей протекают через путевые полуобмотки ДТ в противоположных направлениях (рис. 3.4), вследствие чего магнитные потоки, создаваемые этими токами в магнитопроводе ДТ (Фі и Ф2) направлены встречно (рис. 3.4,а,б,в). При равенстве тяговых токов в рельсах (рис. 3.4,а) магнитные потоки взаимно компенсируются и магнитная проницаемость магнитопровода ДТ не изменяется. Сигнальный ток 1с протекает через обе полуобмотки ДТ в одном направлении, вследствие чего во вторичной обмотке индуцируется напряжение, используемое для работы рельсовой цепи СЦБ. При неравенстве тяговых токов в полуобмотках, т.е. 1Т] f=- 1Т2 , на обмотки ДТ воздействуют две магнитодвижущиеся силы (МДС): постоянная во времени, равная 0,5W] (Iri - Ітг) гДе Wj число витков первичной обмотки и переменная, определяемая как W] Ic sincot.
В условиях эксплуатации уменьшить влияние асимметрии тягового тока на работу рельсовых цепей и АЛС возможно несколькими способами: - выравниванием в допустимых пределах суммарных сопротивлений по обеим рельсовым нитям, включая и полуобмотки путевых и дополнительных дроссель-трансформаторов; - снижением технически возможными способами максимальных токов в рельсовой сети (установка междупутных перемычек, выбор рационального графика движения поездов); - уменьшением величины тягового тока в путевых и дополнительных дроссель-трансформаторах при сохранении значений токов в рельсах на прежнем уровне (применение дополнительных отсасывающих линий и дроссель-трансформаторов, увеличение числа тяговых рельсовых нитей для пропуска тягового тока, перевод однониточных рельсовых цепей на двухниточные и т.п.); - применение новых типов дроссель-трансформаторов, в меньшей степени подверженных влиянию асимметрии, а также за счет усовершенствования применяемых в настоящее время путевых и дополнительных дроссель-трансформаторов. При этом следует исходить из того, что максимально возможная расчетная величина асимметрии тягового постоянного тока на рельсовый путь должна быть 360 А, а при электротяге переменного тока не опее 50 А.
Полное сопротивление основной обмотки дроссель-трансформатора переменному току при разомкнутой дополнительной обмотке зависит от размера воздушного зазора, а также от тока подмагничивания, Если ток подмагничива-ния отсутствует, то уменьшение воздушного зазора вызывает значительное увеличение полного сопротивления обмотки дроссель-трансформатора. В слу - 110-чае подмагничнвания зависимость полного сопротивления от размера воздушного зазора более сложна.
Подмагничивание в той или иной степени снижает полное сопротивление дроссель-трансформатора (снижение тем больше, чем меньше воздушный зазор). При воздушном зазоре 1,5-2 мм изменение тока подмагничнвания от нуля до допустимого для ДТ-0,6 и ДТ-0,2 значения 240 А (120 А на всю обмотку) не приводит к существенному изменению сопротивления дроссель-трансформатора . Поскольку значение и характер изменения полного сопротивления основной обмотки дроссель-трансформатора зависит от воздушного зазора, регулировка последнего в условиях эксплуатации не допускается.
Асимметрия тягового тока, возрастающая с увеличением протекающего по рельсовым нитям тягового тока, также зависит от числа путей, используемых для его пропуска. Увеличение асимметрии нередко приводит к превышению установленного предела тока подмагничивания и, как следствие к снижению индуктивности дроссель-трансформатора. Коэффициент асимметрии конкретной рельсовой цепи почти не зависит от изменений тягового тока, хотя относительное значение (приведенное к принятому току подмагничивания) асимметрии тока с увеличением протекающего по рельсовым нитям тягового тока возрастает (рис. 3.5).
Регистрограммы суммарного тягового тока в рельсовой цепи (рис. 3.5, кривая 1), абсолютного (кривая 2) и относительного (кривая 3) значений асимметрии этого тока показывают следующее: абсолютное значение асимметрии тягового тока в рельсах (кривая 2) при принятых параметрах цепи мало изменяется во времени и является как бы параметром рельсовой цепи, независимым от тягового тока. В тоже время относительное значение асимметрии тока изменяется от общего тягового тока в рельсовых цепях (кривая 3) и тем больше, чем больше тяговый ток отличается от расчетного значения, являющегося предельным для определения типов дроссель-трансформаторов.
Расчет перенапряжений и потенциального состояния рельсовой сети при поездах повышенного веса и длины
Влияние системы тягового электроснабжения на элементы рельсовой сети и подключенным к ним коммуникациям и устройствам проявляется через токи и потенциалы, возникающие в месте их нахождения на фидерной зоне. ДЛЯ обеспечения устойчивости работы этих устройств необходимо, чтобы токи, возникающие в их цепи, не превышали допустимых для всех элементов схемы, а действующие обратные напряжения были ниже пробивных для установленных значений. Фактически вопрос сводится к оценке потенциалов рельсов по отношению к земле в точке подключения устройств к рельсовой сети (ф р_3). В нормальном режиме работы электрифицированного транспорта закономерность ф р-з носит вероятностно-статистический характер, что объясняется случайным характером изменения тяговой нагрузки, в свою очередь, обусловленным случайным характером изменения числа поездов на участке, межпоездных интервалов, длины фидерной зоны и т.п. [9, 11]. Математический аппарат, связывающий характеристики системы тягового электроснабжения с размерами движения, разработан в исследованиях ряда ученых [17-23]. Математическая интерпретация изменения (рр.3 при к.з. в тяговой сети глубоко изучена в работах В.Н.Пупынина, Б.И.Косарева, А.В.Котельникова и др. авторов [61, 81]. При этом установлено, что из трех стадий переходного процесса (рис. 4.1) характерна стадия, когда при отсутствии тока к.з. происходит смена полярности импульса ф р_3 и последующее спадание его по экспоненциальному закону, что является следствием протекания тока самоиндукции 1Е ( рис. 4.1,а), т.е. разряда магнитной энергии. В более общем случае (двухстороннее питание, наличие тяговой нагрузки ЭПС в месте к.з.) происходит наложение нескольких составляющих процесса, что отражается на характере изменения (р р.3 (рис. 4.1,в). Многочисленными измерениями установлено, что средневзвешенное значение фр.3 может составлять до 400 В при электротяге постоянного тока и более 2500 В - при переменном токе [72].
На практике было принято (Инструкции МПС ЦЭ-518 и ЦЭ-191) принимать за расчетное значение величину ср р.3 800 В. При повышении веса поездов, если расстояние между тяговыми подстанциями остается таким же, среднее значение потенциалов (р р.3 в нормальном режиме работы СТЭ возрастет пропорционально токовым нагрузкам, а в режиме к.з. потенциальное состояние рельсов по отношению к земле практически не изменяется (рис. 4.2). Данные, приведенные на рис. 4.2, получены с учетом следующих аналитических предпосылок, характерных для точек А (середина межподстанционной зоны) и К -у отсоса ТП (соответственно максимальные положительные и отрицательные потенциалы. В промежуточных точках фидерной зоны потенциал (р р.3 всегда будет меньше.
Решение уравнений (4.2) - (4.7) с введением межпоездного интервала (j= L/n) было осуществлено на ЭВМ для следующих исходных данных: L = 20; 12; 8; 4 км, j= 20; 12; 8; 6 мин.; рельсы Р65, переходное сопротивление "рельс-земля" - 0,25 Ом.км. Решение проводили для удельной тяговой нагрузки (ток поезда) 1 кА; это позволяет для любого тока поезда 1п получать значения потенциалов путем умножения их удельной величина на отношение 1п/1 кА.
Были получены мгновенные значения потенциалов для точек А и К при движении поезда по межподстанционной зоне разной длины (рис. 4.4). Суммарные (от нескольких поездов) удельные средние значения потенциалов в точке А ( ф Аср) представлены на рис. 4.4. Как видно из рис. 4.4, сокращение межпоездных интервалов активно повышает потенциалы рельсов при больших расстояниях между подстанциями (L = 20 км), так как увеличивается число поездов, одновременно находящихся на межподстанционной зоне. При небольших расстояниях между подстанциями это сказывается в меньшей степени, поскольку длина межподстанционной зоны оказывается близкой или меньшей интервала попутного следования поезда, т.е. на ней возможны только один - два поезда. По этой же причине не наблюдается роста максимальных потенциалов с уменьшением межпоездных интервалов (на рис. 4.4, штриховая линия). Результаты расчетов при вариациях L и; представлены нарис. 4.5. Если использовать данные по предельным ограничениям поездных токов (для соответствующих значений L и j ), вводимым исходя из обеспечения термической устойчивости контактной подвески, то обозначится и верхняя граница средних потенциалов рельсов (см. рис. 4.5 линия а-в ). Данные рис. 4.5 получены при условии, что все возможные мероприятия по усилению контактной подвески исчерпаны (два контактных и три усиливающих провода) и дальнейшее обеспечение повышенных размеров перевозок может быть осуществлено только при вводе дополнительных тяговых подстанций (т.е. сокращении расстояния между ними).
Из анализа рис. 4.5 можно сделать вывод, что с ростом размеров движения и токовых нагрузок первоначально будет наблюдаться возрастание потенциалов от области I до уровня ограничения по линии "а-в"; последующий рост поездных токов приведет к необходимости сокращения расстояний между подстанциями, а следовательно, к снижению потенциалов, что явится благоприятным фактором. Обусловлено это тем, что тенденция к сокращению L по тепловым режимам контактной сети проявляется в большей степени, чем, например, по стабилизации на одном уровне потенциалов рельсовой сети, так как
- 133-пєрвая тенденция определяется квадратичным значением тока ( 1П )? а вторая -током в первой степени (1п) Аналогичное положение наблюдается и с потенциалами в точке отсоса, но эти данные не приводятся, так как для коррозионного состояния опор первостепенное значение имеют анодные зоны потенциалов. Тенденцию к снижению уровня потенциалов не следует распространять на случаи, когда происходит рост тяговых нагрузок при существующем расстоянии между подстанциями (например, на участке была недоиспользована пропускная способность и потенциалы q еР были ниже максимально возможных значений (см. рис. 4.5, область а - б). В этом случае будет наблюдаться рост ф ср до значений, ограниченных линией "а-в". Однако существенно, что выше этой линии ф ср быть не может. Вопрос повышения потенциалов в зимних условиях здесь не рассматривался, поскольку этот фактор в сравниваемых вариантах действует аналогично. Но можно отметить, что с сокращением расстояния между подстанциями относительное действие этого фактора уменьшается, т.е. и для зимних условий в расчете на перспективу тенденция снижения потенциалов будет также иметь место.
