Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ нормируемых значений электромагнитных полей при работе аппаратуры и для условий профессионального и непрофессионального облучения на электрифицированных железных дорогах
1.1. Источники электромагнитных полей 6
1.2. Основные системы санитарно-гигиенического нормирования электромагнитных полей в России и в Европе
1.3. Предельно-допустимые уровни электромагнитного влияния на технические средства электроподвижного состава и смежные устройства в локомотивных депо
2. Параметры электромагнитных полей от систем тягового электроснабжения при проходе электроподвижного состава
2.1. Математические методы описания параметров электромагнитных полей
2.2. Электромагнитная обстановка в зонах пересечений тяговой сети и высоковольтных линий высокого и сверхвысокого напряжения
2.3. Моделирование электромагнитных полей тяговых сетей переменного тока при компенсированном влиянии нескольких источников излучения
2.4. Особенности построения систем тягового электроснабжения с учетом снижения влияния опасных электромагнитных полей
3. Измерение и анализ электромагнитных полей на электроподвижном составе и на рабочих местах в локомотивных депо
3.1. Измерение и анализ напряженностей электромагнитных полей на электроподвижном составе
3.2. Исследование влияния электроподвижного состава и тягового электроснабжения на смежные устройства СЦБ и АЛС
4. Обоснование и разработка технических средств и организационных мероприятий по обеспечению электромагнитной безопасности на электрифицированных железных дорогах
4.1. Совершенствование систем электроснабжения и разработка устройств защиты от воздействия электромагнитных полей при электрической тяге переменного тока
4.2. Применение экранов для защиты приборов электропоездов и устройств автоматики и телемеханики от влияния электромагнитных полей
4.3. Рекомендации по выполнению регламентных работ на электрифицированных железных дорогах с точки зрения снижения опасного влияния электромагнитных полей на человека
Заключение по работе и выводы 116
Список использованной литературы 118
- Основные системы санитарно-гигиенического нормирования электромагнитных полей в России и в Европе
- Электромагнитная обстановка в зонах пересечений тяговой сети и высоковольтных линий высокого и сверхвысокого напряжения
- Исследование влияния электроподвижного состава и тягового электроснабжения на смежные устройства СЦБ и АЛС
- Применение экранов для защиты приборов электропоездов и устройств автоматики и телемеханики от влияния электромагнитных полей
Введение к работе
Актуальность работы
Экологическая обстановка вблизи железных дорог характеризуется влиянием электромагнитных полей, напряженность которых в сотни раз выше среднего естественного уровня поля Земли.
Токи, протекающие в проводах высоковольтных и низковольтных сетей
электроснабжения, генерируют электромагнитные поля. На
электрифицированных участках железных дорог в тяговой сети из-за мощных переходных процессов в режимах включения и отключения тяги, рекуперации, регулирования скорости движения в аварийных режимах (короткие замыкания, грозовые разряды и т.д.) протекают токи с широким спектром помех от 1 до 10 Гц. Кроме того, существенную долю в интенсивность электромагнитных полей вносят различные системы телемеханики и управления, сотовая связС радиопередатчики и компьютерная техника. В результате вдоль железнодорожных путей возникают сложные нестационарные электромагнитные поля (ЭМП), напряженность электрической и магнитной составляющих которых во многих местах превышает установленные в нормативной документации допустимые уровни.
Электромагнитные волны с частотами 1 - 100 Гц сильно поглощаются почвой, поэтому на небольшом удалении от контактной сети напряженность поля падает более чем в десятки раз. Деревья и высокие кустарники также существенно изменяют картину силовых линий, оказывая экранирующий эффект благодаря наличию в древесине и листьях ионов.
Экспериментальное изучение биологического действия ЭМП показало, что с напряженности поля 1 кВ/м наблюдаются изменения в нервной системе и эндокринном аппарате человека. Слабые ЭМП также влияют на организм человека и животных, приводя к изменению ритма сердечных сокращений, уровня кровяного давления, электрической активности мозга и возбудимости нервных клеток. Под действием слабых ЭМП у человека могут возникать
4 зрительные, слуховые и осязательные, у животных - разнообразные эмоциональные реакции. Наиболее высока чувствительность организмов к многократным воздействиям ЭМП.
Масштабы электромагнитного загрязнения стали столь существенны, что Всемирная организация здравоохранения включила эту проблему в число наиболее актуальных для человечества. Поэтому в настоящее время во всем мире развернуты широкие исследования, направленные на разработку методов и средств обеспечения экологической безопасности в зонах влияния ЭМП.
Разработкой вопросов, . направленных на снижение влияния электромагнитных полей на смежные устройства железнодорожного транспорта, занимался целый ряд отечественных и зарубежных ученых. Отметим работы в этом направлении Бочева А.С., Азарова Н.Н., Косарева Б.И., Косарева А.Б., Котельникова А.В., Кузнецова К.Б., Марквардта К.Г. и многих других ученых.
Разработке вопросов воздействия электромагнитных полей на организм человека, а также созданию эффективных средств защиты человека от воздействия этих полей посвящены работы Головко СВ., Думанского Ю.Д., Кривовой Т.Н., Сазоновой Т.Е., Григорьева Ю.Г., Петрова В.И., Долина П.А. и других исследователей.
Однако выполненные до настоящего времени работы, охватывая широкий круг вопросов по обеспечению электромагнитной безопасности, не ставили основной целью детальное исследование параметров электрического и магнитного полей в зонах нахождения обслуживающего персонала (тяговые подстанции, контактная сеть, рельсовый путь и т.д.).
Основные задачи диссертации соответствуют научно-технической направленности комплексного отделения «Тяговый подвижной состав и электроснабжение» Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного.транспорта.
5 Дель работы
Целью диссертационной работы является решение научно-практической задачи обеспечения электромагнитной безопасности в зонах электромагнитного влияния систем тягового электроснабжения и устройств подвижного состава. Анализ и проверка уровней электромагнитных полей, генерируемых системами электроснабжения железнодорожного транспорта и тягового подвижного состава. Разработка технических и организационных решений, направленных на обеспечение электромагнитной безопасности в зонах работы обслуживающего персонала и зонах возможного нахождения пассажиров.
Методы исследования
Анализ параметров электромагнитного поля в зонах нахождения персонала и устройств автоматики и телемеханики проведен с использованием метода конечных элементов при расчете напряженности электрического поля и использованием теории многополюсников при нахождении реального токораспределения в тяговых сетях, а, следовательно, и напряженности магнитного поля.
Результаты аналитических расчетов параметров электромагнитных полей систем тягового электроснабжения достаточно хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований, проведенных на действующих участках магистральных железных дорог, а так же на экспериментальном кольце ВНИИЖТ. Расхождения между экспериментальными данными и результатами расчетов не превышают 5 - 7%.
Обработка экспериментальных данных произведена в режиме реального времени с помощью приборов и устройств, выполненных на базе персонального компьютера;
Для прогнозирования полученных результатов о параметрах электромагнитных излучений для участков с тональными рельсовыми цепями использовались методы планирования эксперимента.
Научная новизна работы
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
- разработана математическая модель систем тягового электроснабжения,
учитывающая при расчете влияние нескольких различных источников
электромагнитного излучения, реальное расположение проводов в
окружающем пространстве и сдвиг фаз напряжений в питающих линиях;
разработана методика расчета электромагнитных излучений систем тягового электроснабжения, отличающихся от известных реальным учетом распределения токов в проводах системы, а также представлением обратных проводов (рельсового пути, экранирующего провода и т.д.) линиями с распределенными параметрами;
обоснованы технические решения по совершенствованию методов и средств обслуживания устройств контактной сети без снятия напряжения с питающих и обратных линий, т.е. в условиях нормальной эксплуатационной работы электрифицированных железных дорог.
Практическая значимость и внедрение
На основании выполненных исследований разработаны технические предложения по повышению электромагнитной безопасности в зонах работы обслуживающего персонала и зонах возможного нахождения пассажиров.
Разработана математическая модель тяговой сети переменного тока для анализа магнитных полей в окружающем пространстве, учитывающая влияние от нескольких различных источников электромагнитного излучения.
Определены технические решения по совершенствованию устройств обеспечения электромагнитной безопасности, позволяющие уменьшить время нахождения персонала в зонах электромагнитного влияния.
7 Апробация работы
Результаты работы и ее отдельные предложения докладывались на конференции «Электрификация - 75 лет» на экспериментальном кольце ВНИИЖТ ст. Щербинка в 2003 г. и на конференции «ТрансЖАТ» в г. Сочи в 2005 г.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано & печатных работ.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти основных разделов, заключения, списка использованных источников и предложений.
Работа изложена на страницах, содержит рисунка,
таблицы.
Основные системы санитарно-гигиенического нормирования электромагнитных полей в России и в Европе
В зависимости от места нахождения человека относительно источника ЭМП он может подвергаться воздействию электрической или магнитной составляющей поля или их сочетанию, а в случае пребывания в волновой зоне - воздействию сформированной электромагнитной волны. По этому признаку определяется необходимый критерий контроля безопасности.
Анализ нормативной документации зарубежных стран необходим, с одной стороны, для их гармонизации и создания условий к присоединению России к мировой системе стандартов в этой области, а с другой стороны, для оказания методической помощи государствам, не имеющим пока нормативной базы в области электромагнитной безопасности. Следует отметить, что прямое заимствование нормативов, например Германии, не возможно, так как на территории ряда стран уже действует ряд нормативных документов в области электромагнитной безопасности, существенно отличающихся от зарубежных аналогов, да и во многих странах, в том числе и в Германии, подобные нормативные документы только создаются, постоянно пересматриваются, претерпевая существенные изменения в процессе получения новых научных данных [2,3,4].
Основные принципы стандартов России в рассматриваемой области отличаются от принципов других национальных систем. Отличия заключаются в: - юридически правовом статусе нормативной документации; - принципах и методах определения физических величин, которые нормируются.
Так, например, Германия имеет одну из наиболее совершенных в Европе систем нормирования в области электромагнитной экологической безопасности. Стандарт VDE - 0848 в этой стране имеет статус обязательного. Он является универсальным для всех случаев, в нём приведены как требования к нормируемым величинам, так и требования к проведению контроля (идентификации).
В США принят иной подход. Разработкой и обоснованием стандартов занимаются Национальный институт стандартов США (ANSI) и национальный совет по радиационной защите и измерениям (NCRP). Контроль за их соблюдением на федеральном уровне осуществляет Министерство труда. Федеральные стандарты имеют рекомендательный статус, обязательные же стандарты в разных штатах различны.
В последние годы большую роль стали играть международные стандарты, региональные и всемирные. В 1996 году ЕЭС приняли единые европейские нормы и согласованные с ними национальные нормы, которые учитываются при любом товарообороте. В качестве норм ЕЭС по электромагнитной безопасности ввели нормы CENELEC, являющиеся результатом координации усилий по согласованию стандартов национальных электротехнических комитетов стран ЕЭС.
На мировом уровне в качестве основного рекомендательного стандарта приняты документы международного комитета по неионизирующему излучению Международной ассоциации по радиационной защите (IRPA/INIRIC).
Стандарты по электромагнитной безопасности разных стран отличаются разнообразием как по нормируемым параметрам, так и по подходам к установлению предельно допустимого уровня (ПДУ). Это затрудняет прямое сопоставление стандартов и их классификацию. Поэтому в настоящем разделе сравнительный анализ проведен на примере важнейших стандартов, нормирующих электромагнитные поля радиочастотного диапазона от 1 Гц до 1000 Гц и от 100 кГц до 3000 ГГц:
Общая их характеристика приведена в таблице 1.4. Перечисленные стандарты перекрывают диапазоны радиоизлучения основных массовых источников воздействия ЭМП на человека (СВЧ-печи, мобильные радиотелефоны, спутниковая связь, радиосвязь, телекоммуникации, компьютеры, медицина) и охватьюают страны и регионы, занимающие важное положение на рынке потребительских товаров.
Главное отличие стандартов России, а также всех стран, входивших ранее в СССР, от стандартов других рассматриваемых стран в различном подходе к определению ПДУ воздействия, что обусловлено различными критериями в оценке биоэффектов воздействия ЭМП.
В России в качестве основного критерия определения ПДУ ЭМП принято положение, что воздействие не должно вызывать у человека даже временного нарушения гомеостаза (включая репродуктивную функцию), а также напряжения защитных и адапционно-компенсаторных механизмов ни в ближайшем, ни в отдаленном периоде времени. При этом в качестве ПДУ принимается дробная величина от минимального уровня электромагнитного поля, способного вызвать какую-либо реакцию в конкретных условиях облучения.
В зарубежных стандартах при определении безопасного уровня исходят из значений напряженности ЭМП, при превышении уровня которого возникают доказуемо опасные последствия воздействия. Уменьшением этого уровня на коэффициент надежности, который различается для профессионалов и населения, и определяют ПДУ. Таблица 1.4.
Общая характеристика стандартов Регион Название стандарта Частотный диапазон Правовой статус Категории облучаемых
Разные принципы в определении ПДУ приводят к установлению различных нормируемых критериев стандартов. Это иллюстрируется при сравнении проекта Российского Технического регламента, Европейского CENELEC 50166-2 и стандарта США IEEE С 95/1-91, нормирующих ПДУ ЭМП в одном диапазоне частот.
В отличие от стандарта России, стандарт CENELEC 50166-2 содержит также ПДУ всех перечисленных параметров и для неконтролируемой зоны.
Стандарт США ШЕЕ С95.1-91, также как и IRPA/ICNIRP 1998, построен на тех же критериях, что и стандарт CENELEC 50166-2, хотя и они несколько отличаются по абсолютным значениям, но дают хорошее совпадение в целом. Кроме того, в IEEE С95.1-91 вводятся исключения для возможных случаев превышения ПДУ:
В диапазоне частот от 0,1 МГц до 6 ГГц в контролируемых условиях для случаев, когда усредненный по всему телу SAR ниже 0,4 Вт/кг, а пиковый SAR меньше чем 8 Вт/кг при усреднении по любому 1 гр ткани на грани куба, исключая ладони и запястья рук, ступни и голени ног;
В стандартах России, Польши и США приведены требования к измерительным приборам и методам измерения.
Приведенные данные о нормируемых параметрах показывают, что непосредственное сравнение ПДУ затруднено - при сравнении требуется подробное описание, какая именно ситуация облучения рассматривается.
Несогласованность национальных и международных норм безопасности, отсутствие согласования по методикам проведения измерений нормируемых параметров приводит, в частности к тому, что сертифицированные в одной стране промышленные изделия могут не соответствовать санитарно-гигиеническим требованиям в других странах.
Система санитарно - гигиенического нормирования ПДУ ЭМП для населения в России исходит из принципа введения ограничений для конкретных случаев облучения.
Можно выделить следующие виды условий облучения, на которые для населения установлены специально разработанные Санитарно-гигиенические нормы: элементы систем сотовой связи и других видов подвижной связи, все типы стационарных радиотехнических объектов (включая радиоцентры, радио- и телевизионные станции, радиолокационные и радиорелейные станции, земные станции спутниковой связи, объекты транспорта с базированием мобильных передающих радиотехнических средств при их работе в штатном режиме в местах базирования), видеодисплейные терминалы и мониторы персональных компьютеров, СВЧ - печи, индукционные печи.
На иные условия облучения, где в качестве источников выступает бытовая потребительская техника, включая телевизоры, в настоящее время используются межгосударственные российско-белорусские санитарные нормы, устанавливающие требования только к электрической составляющей диапазона 50 Гц и уровню электростатического поля.
При определении конкретного значения уровня ПДУ разработчики руководствуются либо результатами специально выполненных работ (например, печи СВЧ и индукционные печи), либо результатами общих медико-биологических исследований (системы сотовой связи, радиотехнические объекты, персональные компьютеры).
В случае отсутствия на конкретный вид продукции отдельного норматива, санитарно-гигиенические требования к этой продукции предъявляются на основе ПДУ, установленного в общих стандартах.
Электромагнитная обстановка в зонах пересечений тяговой сети и высоковольтных линий высокого и сверхвысокого напряжения
Проведенные теоретические расчеты показали, что электромагнитные поля источников излучения как на подвижном составе, так и устройства автоматики в локомотивных депо удовлетворяют требованиям действующих в Российской Федерации нормативных документов.
Напряженность электрического поля контактных сетей переменного напряжением 27,5 кВ на уровне 1,8 м под контактной сетью не превышает 3 кВ/м и далее в полезную сторону приближенно изменяется затуханием 0,2 —, 3-е--2 , где х - координата, направленная в полезную сторону от проекции контактной сети на землю.
Наличие выемок увеличивает напряженность электрического поля в местах прижимов на 25 - 30%. Насыпь практически не изменяет напряженности поля на высоте 1,7 м.
Магнитные поля систем тягового электроснабжения рассчитываются по методу наложения согласно закону полного тока. При токах нормального и аварийного режимов напряженность магнитного поля на участках переменного тока и в зонах нахождения людей не превьппает 2 кА/м, а на участках постоянного тока- 0,7-1 кА/м.
Особенности построения систем тягового электроснабжения с учетом снижения влияния опасных электромагнитных полей Из приведенных выше данных очевидно, что в ряде случаев возможно превышение допустимых уровней электромагнитного излучения на персонал и объекты окружающей среды. При этом показано, что при электротяге переменного тока это воздействие определяется в основном магнитным влиянием, а при постоянном токе - электрическим [13].
Многолетний опыт проектирования и эксплуатации электрифицированных железных дорог показывает, что в данном случае снижение влияния электромагнитных полей на окружающую среду, технические объекты и персонал может быть достигнуто исключительно как за счет совершенствования самой системы тягового электроснабжения, так и применением специальных защитных индивидуальных технических средств, позволяющих обеспечить требуемый уровень электромагнитных полей при любом виде тяги и независимо от временных параметров.
Охрана окружающей среды и обеспечение защиты работающих от неблагоприятного влияния магнитных полей осуществляется путем проведения организационных и технических мероприятий.
К организационным относятся мероприятия, обеспечивающие соблюдение требований ограничения продолжительности пребывания персонала в условиях воздействия электромагнитного поля (без нарушения сложившейся системы эксплуатационного обслуживания электрооборудования) и организации рабочих мест на расстояниях от токоведущих частей оборудования, обеспечивающих соблюдение предельно-допустимых уровней (ПДУ).
При проектировании электроустановок организационные мероприятия включают [55,56,57, 58,59]: - отказ от размещения производственных помещений, рассчитанных на постоянное пребывание персонала вблизи токоведущих частей электроустановок, а также под и над токоведущими частями оборудования (например, токопроводами), за исключением случаев, когда уровни электромагнитных полей по результатам расчета не превышают предельно допустимые; - расположение путей передвижения обслуживающего персонала на расстояниях от экранированных токопроводов и (или) шинных мостов, обеспечивающих соблюдение ПДУ; - исключение расположения токоограничивающих реакторов и выключателей в соседних ячейках РУ 6 - 10 кВ. При проектировании ВЛ предпочтение должно отдаваться двухцепным ВЛ с расположением фазных проводов, обеспечивающим максимальную компенсацию электромагнитных полей фазных проводов обеих цепей.
При проектировании контактных линий их расположение должно обеспечивать соблюдение допустимых значений магнитного поля у поверхности земли.
При эксплуатации электроустановок организационные мероприятия включают следующее: - зоны с уровнями электромагнитных полей, превышающими предельно допустимые, где по условиям эксплуатации не требуется даже кратковременное пребывание персонала (например, камеры выводов турбогенераторов), должны ограждаться и обозначаться соответствующими предупредительными знаками; - осмотр электрооборудования, находящегося под напряжением, должен осуществляться из зон с уровнями электромагнитных полей, удовлетворяющими нормативным требованиям; - ремонт электрооборудования следует производить вне зоны влияния электромагнитного поля.
К техническим относятся мероприятия, снижающие уровня электромагнитных полей на рабочих местах путем экранирования источников электромагнитных полей или рабочих мест. Экранирование должно осуществляться посредством материалов с высокой магнитной постоянной или активных экранов. Кроме этого, к техническим мероприятиям относится целый комплекс требований к проектированию тех или иных систем электроснабжения, которые снижают электромагнитные поля. К этим же мероприятиям относятся и индивидуальные защитные средства.
В настоящее время система с экранирующим и усиливающим проводами (ЭУП) признана одной из базовых [30, 38], в то время как другие не могут обеспечить требования электромагнитной совместимости и достаточно высокие энергетические показатели (особенности при организации движения тяжеловесных и высокоскоростных поездов и повышения их интенсивности движения).
Однако, при системе с ЭУП возникают и рад специфических задач, связанных с обслуживанием экранирующих и усиливающих проводов, решать задачи по устройству заземлений и т.п. Рассмотрим совокупность этих вопросов. Структурная схема такой системы тягового электроснабжения приведена на рис. 2.14. Использование электротяговой сети с ЭУП позволяет отказаться от применения отсасывающих трансформаторов, не требуется заменять кабели связи и телеуправления при увеличении весовых норм поездов и интенсивности движения. При этом, по сравнению с системой с питающим проводом и автотрансформаторами, существенно снижаются потери электроэнергии в тяговой сети и повышается электробезопасность за счет снижения сопротивления обратного провода, что удается получить при сближении усиливающего У и экранирующего Э проводов на минимальное расстояние, допустимое по условиям изоляции. При условиях нормальной работы системы электротяги эти сопротивления ниже на 15-20% [30, 38].
Исследование влияния электроподвижного состава и тягового электроснабжения на смежные устройства СЦБ и АЛС
Характеристика степени намагниченности стальных предметов можно характеризовать напряженностью поля или индукцией на их поверхности. В воздухе относительная магнитная проницаемость равна единице, поэтому имеется однозначное соотношение между напряженностью магнитного поля и индукцией: 1 кА/м=1,25 мТл (миллитесла). Несмотря на равноценность этих параметров, наиболее правильным является определение намагниченности именно индукцией, которая характеризует степень магнитного притяжения, т.е. силу притягивания намагниченных предметов.
Направленность (вектор) и сила (напряженность или индукция) магнитного поля имеют различные значения в зависимости от формы намагниченного предмета и положения точки измерения относительно намагниченной поверхности. В общем случае для определения интенсивности магнитного поля в пространстве необходимо применение трехмерного датчика и вычисление геометрической суммы показаний. Однако на границе раздела сред с различной и значительно отличающейся магнитной проницаемостью (как воздух и сталь) вектор магнитного поля направлен перпендикулярно поверхности. Для измерения такого поля достаточно применения только одного датчика с направлением наибольшей чувствительности, перпендикулярной намагниченной поверхности.
Материал рельсов относится к магнитотвердым ферромагнетикам и подвержен намагничиванию под действием внешних магнитных полей. Остаточная индукция рельсовой стали может достигать 200 мТл. Пиковое значение индукции на поверхности рельса при частичном размыкании магнитного потока, что происходит на стыке рельсов, может превышать 70 мТл.
Источником намагничивания рельсов является обратный тяговый ток и механические воздействия одного направления от колес движущегося поезда.
Рельсы обладают продольной намагниченностью и незначительной неоднородностью магнитной индукции по сечению. Поперечная составляющая тоже присутствует, однако ее уровень в зоне изолирующего стыка незначителен и не создает проблем при эксплуатации. Наибольшая индукция наблюдается на торцах рельсов в верхней его части. На стыках большая часть магнитного потока проходит в зазоре между торцами рельсов, если используются немагнитные накладки. При установке стальных накладок более 80% магнитного потока замыкается по ним. Конфигурация магнитного поля в зоне рельсового стыка в достаточной степени типична (рис. 4.7).
Вследствие того, что действительное значение индукции намагниченности рельса измерить сложно, так как точки наибольшей намагниченности находятся в зазоре между рельсами, приходится ограничиваться оценочными измерениями, результат которых косвенно показывает степень намагничивания. Для стыков с композитными накладками индукция на поверхности рельса в указанной зоне составляет 70-80% от индукции в зазоре и зависит от величины зазора. Наибольшие значения магнитной индукции получены в зоне шириной не более 10 мм от торцов поверхности рельса (рис. 4.8).
Важно производить измерение индукции непосредственно на поверхности головки рельса, так как при удалении датчика от поверхности головки рельса увеличивается погрешность измерения за счет появления горизонтальных составляющих и естественного ослабления магнитного поля (до 50% на высоте 5 мм от поверхности рельса) (см. рис. 4.7).
Для измерительного прибора, измеряющего индукцию намагниченности, целесообразно установить верхний предел измерения не менее 50 мТл, с разрешающей способностью 0,1 мТл и нормированной погрешностью до 15%. Указанного значения погрешности достаточно для определения порогов намагниченности с учетом физических особенностей измеряемого объекта и условий эксплуатации. Кроме того, нормирование погрешности измерения на таком уровне позволит реализовать метрологическое обеспечение прибора в эксплуатации с помощью специальной катушки с установленным коэффициентом преобразования (тока в индукцию) и универсального калибратора тока типа Н4-11, которые поставляются на железные дороги.
Работа выполнена на основании «Программы проведения исследований намагниченности изолирующих стыков железнодорожных рельсов в условиях эксплуатации на полигонах Московской и Горьковской железных дорог», утвержденной Департаментом пути и сооружений ОАО «РЖД» 26.02.2003 г. При исследованиях проводились измерения в реальном масштабе времени напряженности магнитного поля в зоне изолирующего стыка с композитными, металлополимерными, металокомпозитными и типовых клееболтовых стыков. Установлено, что причиной возникновения эффекта попадания в изолируемое пространство металлической стружки является остаточная намагниченность рельсов. При этом изолирующие стыки, включающие в свою конструкцию металлические накладки, имеют более низкий уровень напряженности магнитного поля из-за появляющегося в металлических накладках эффекта шунтирования, который несколько уравновешивает намагниченность рельсов. С учетом этого разработаны конкретные предложения по снижению влияния намагниченности рельсовых стыков при электротяге постоянного и переменного тока, что также входит в состав нормативной документации по построению обратной тяговой (рельсовой) сети с учетом нормального функционирования рельсовых цепей СЦБ и АЛС.
Проведенные экспериментальные проверки показали высокую эффективность таких средств защиты от влияния радиопомех. Одновременно показано, что от расположения элементов систем подавления радиопомех в значительной мере зависит их эффективность. С этой целью дроссели на электроподвижном составе следует располагать как можно ближе к токоприемнику, а на тяговых подстанциях - к преобразователям. При этом необходимо надежно выполнить контактные соединения и заземления на корпус электроподвижного состава или вагона, а на тяговой подстанции - на внутренний или внешний заземляющий контур, а также строго соблюдать указания по технике безопасности при проверке и обслуживании помехоподавляющих устройств [18,28,33, 71].
Испытания эффективности применения таких схем подавления помех проводились на пригородных и магистральных электроподвижных единицах. Результаты измерений приведены на графиках рис. 4.24 (экспериментальный полигон ВНИИЖТ, ст. Щербинка) и в пределах пригородного движения на участке Москва-Ярославская - Мытищи рис. 4.25 по схемам, приведенным на рис. 4.22 и рис. 4.23.
Применение экранов для защиты приборов электропоездов и устройств автоматики и телемеханики от влияния электромагнитных полей
Еще одним важным вопросом является канализация токов перенапряжений и молнии. Действующее в настоящее время техническое решение использования для канализации тока молнии свободных жил кабеля связи естественно повышает надежность работы системы. Однако эффективность этой системы недостаточна. Объясняется это тем, что при срабатывании пороговых блоков потенциал жилы по отношению к земле принимает значение, равное напряжению рельсы — земля в импульсном режиме. При значительных уровнях напряжения на рельсовом пути возможен пробой изоляции кабеля [56,30,38].
Грозовые разряды, могут приводить к возникновению некоторых специфических режимов — к однофазным замыканиям на землю ВЛ автоблокировки. Ток однофазного короткого замыкания длительное время может протекать по жилам кабеля и вызывать плавление изоляции жил и короткое замыкание с вытекающими негативными последствиями [30, 38].
Ниже предлагается система грозозащиты и заземления устройств связи и автоблокировки, лишенная данного недостатка [30]. При разработке этой системы использован ряд принципов, позволяющих с высокой степенью вероятности исключить повреждение изоляции кабельных сетей как при грозовых разрядах в контактную сеть и высоковольтные линии автоблокировки, так и при коротких замыканиях в тяговых сетях переменного тока.
При внедрении системы заземления и грозозащиты устройств связи и автоблокировки должны быть обеспечены безопасные условия работы для обслуживающего персонала. Первым принципом построения системы заземления и грозозащиты устройств связи и автоблокировки является создание эквипотенциальных условий в зонах расположения электроустановок связи и нахождения персонала, их обслуживающего. Этот принцип допускает появление на электроустановках высоких потенциалов относительно земли и превышающих по абсолютной величине допускаемые напряжения на токоведущих и заземленных частях электроустановок связи. Вторым принципом, положенным в основу создания системы заземления, грозозащиты установок связи и автоблокировки, является снижение импульсных перенапряжений благодаря использованию заземляющих устройств, сопротивление растеканию которых существенно меньше нормируемого значения.
Одновременно должны быть решены вопросы повышения надежности функционирования рельсовых цепей СЦБ. Это связано с появлением высоких грозовых и коммутационных потенциалов на рельсах, а, следовательно, и на аппаратуре устройств СЦБ, находящейся как в релейном шкафу или на посту ЭЦ, так и в напольных путевых коробках. Для решения этих задач применяется схема, предложенная в [30].
Так, для защиты линейного трансформатора типа ОМ от внешних коммутационных перенапряжений на той же опоре, где смонтирован однофазный трансформатор, устанавливаются два высоковольтных разрядника РВП-10, которые присоединяются к тем же проводам линии, что и линейный трансформатор.
Заземление высоковольтных разрядников осуществляется на заземляющее устройство (ЗУ). Оно выполнено в виде параллельно включенных выравнивающего контура (заземляющей сетки ЗС), рельсового пути и двух стальных лент. Заземляющая сетка имеет число ячеек на стороне, равное двум. Сопротивление растеканию ЗС не нормируется. Глубина заложения ЗС колеблется в узких пределах (0,3 - 0,4 м). Заземляющая сетка двумя проводниками присоединена к нулевой точке путевого дроссель-трансформатора.
На вторичной стороне линейного трансформатора устанавливается пробивной предохранитель напряжением 1000 - 1600 В. Один его вывод подсоединен к корпусу трансформатора, а другой - к тому из выводов вторичной обмотки трансформатора, к которому присоединяют отходящий в кабельный ящик провод, где не включен автоматический выключатель АВМ-1.
Корпус линейного трансформатора заземлен на выравнивающий контур, на который также заземлены и высоковольтные разрядники.
Металлический корпус кабельного ящика заземляют на одноячейковый выравнивающий контур, устанавливаемый у основания силовой опоры линии напряжением 6-Ю кВ. Выравнивающий контур сооружают на глубине 0,3 - 0,4 м и двумя проводниками соединяют с рельсами и стальными лентами. Его сопротивление растеканию не нормируется.
Вокруг релейного шкафа РШ устанавливают заземляющую сетку на глубине 0,3 - 0,4 м, ее соединяют двумя проводниками с его корпусом. Вокруг релейного шкафа делают щебеночную подсыпку, толщина которой не должна быть менее 0,2 м. ЗС соединяют также с проложенной в земле продольной заземляющей шиной в виде двух стальных полос размером 5x40 мм2.
В электрических сетях с уровнем напряжения 10 кВ и ниже (воздушные линии автоблокировки) требования ПУЭ, касающиеся допустимого сопротивления заземляющего устройства, выполняют путем использования рельсового пути как естественного заземлителя.
Входное сопротивление zex рельсового пути, разделенного на изолированные блок-участки, при стационарных режимах равно 0,5ze.
Волновое сопротивление ze рельсового пути зависит от числа путей, типа шпал и креплений, удельного сопротивления земли. Установлено, что при доверительной вероятности Р = 95 % волновое сопротивление рельсового пути изменяется в интервалах: 1,2 - 2,5 Ом при одном пути, 0,85 - 1,65 Ом при двух путях и 0,5 - 1,1 Ом при трех путях.
Следовательно, использование рельсового пути как естественного заземлителя позволяет выполнить соответствующее требование ПУЭ на допустимые сопротивления заземлителя в электроустановках напряжением свыше 1000 В с изолированной нейтралью [59].
При срабатывании грозозащитных разрядников, устанавливаемых на контактной сети, возникает режим короткого замыкания в тяговой сети. Установлено, что в районах со сложной геоэлектрической структурой из-за увеличения переходного сопротивления рельсы — земля зона распространения опасных напряжений как в импульсных режимах (при стекании токов молнии с рельсового пути), так и при коротком замыкании увеличивается.
Опыт эксплуатации железных дорог в районах с обычными грунтами указывает на отсутствие серьезных нареканий относительно выбора расстояния 200 м от мест подключения грозозащитных разрядников и релейного шкафа к рельсовому пути. Учитывая это, расстояние от места подключения релейного шкафа к рельсу до места подключения грозозащитного разрядника контактной сети не должно быть в районах со сложной геоэлектрической структурой менее 300 м.
Низковольтные питающие кабели как с защитной металлической оболочкой, так и без нее располагают на поверхности бетелового заземлителя, т. е. в той же траншее. При таком расположении достигается эффект экранирования, что практически исключает возникновение опасных напряжений в контуре жила — удаленная земля. Тем самым существенно снижается вероятность появления опасных ситуаций, обусловленных возможным пробоем изоляции.
Рассмотренная система заземления устройств связи и автоблокировки позволяет существенно уменьшить число отключений ВЛ 10 кВ автоблокировки при разрядах токов молнии в ее провода. Действительно, общее число разрядов молнии в В Л автоблокировки длиной L [30] где h — высота подвеса верхнего провода; пд — число грозовых дней в году.
Анализ приведенных выше выражений показывает, что число двухфазных перекрытий ВЛ автоблокировки из-за разрядов токов молнии в крайний провод существенно зависит от сопротивления растеканию заземляющего устройства. В случае использования рельсового пути в качестве заземлителя это сопротивление существенно меньше, чем сопротивление растеканию фундаментов опор. В значительной степени это имеет место в районах со сложной геоэлектрической структурой.
