Электромагнитная совместимость и обеспечение электробезопасности обслуживания системы электроснабжения нетяговых потребителей при питании от воздушных линий напряжением свыше 1000 в, расположенных на

На правах рукописи

Вржесинский

Александр Евгеньевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ОБСЛУЖИВАНИЯ СИСТЕМЫ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПРИ

ПИТАНИИ ОТ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ

СВЫШЕ 1000 В, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА ОПОРАХ

КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и

электрификация»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2013

Работа выполнена в отделении «Электрификация и энергоснабжение железных дорог» в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»).

Научный руководитель -	доктор технических наук, профессор Косарев Александр Борисович
Официальные оппоненты:	доктор технический наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение электрических железных дорог» МИИТ Бадёр Михаил Петрович;
	кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела «Контактная сеть и токосъём» ОАО «ВНИИЖТ» Миронос Николай Васильевич.
Ведущее предприятие -	Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (ОАО «НИИАС»), г. Москва.

Защита состоится «19» июня 2013 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 218.002.01 при Открытом акционерном обществе «Научно–исследовательский институт железнодорожного транспорта» по адресу: 107996, г. Москва, 3-я Мытищинская ул., д.10, зал заседаний Учёного Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института ОАО «ВНИИЖТ».

Автореферат разослан «17» мая 2013 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просьба направлять в адрес диссертационного совета института, а также по e-mail: [email protected], факс 8 (495) 602-80-20, (495) 687-64-56.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, доцент Д.В. Ермоленко

Общая характеристика диссертационной работы.

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.

Содержание работы.

Введение посвящено обоснованию актуальности задачи: разработке метода расчета и технических решений по обеспечению электромагнитной совместимости воздушных линий электроснабжения нетяговых потребителей напряжением выше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока. Подтверждена актуальность диссертационной работы, обозначены положения, выносимые на защиту диссертации.

В первой главе проведен анализ существующих систем электроснабжения нетяговых потребителей, применяемых на электрифицированных российских и зарубежных железных дорогах. Рассмотрены схемы электроснабжения устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), требования, предъявляемые к ним и пути их совершенствования.

Отмечено, что задача бесперебойного электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог не может быть решена только размещением самонесущих изолированных проводов ВЛ 10 кВ на опорах контактной сети переменного тока. Необходима разработка мероприятий по снижению электромагнитного влияния тяговой сети на смежные линии.

С целью повышения надежности электроснабжения нетяговых потребителей рассмотрено применение самонесущих изолированных проводов ВЛ 10 кВ, проанализирован российский и зарубежный опыт эксплуатации данных линий, отмечены особенности, присущие им. Показаны преимущества при эксплуатации ВЛ с СИП: высокая надежность в обеспечении электрической энергией потребителей, снижение эксплуатационных затрат, вызванное высокой надежностью и бесперебойностью энергообеспечения потребителей, а также отсутствием необходимости в широких просеках для прокладки ВЛ с СИП в лесных массивах. Повышается безопасность выполнения работ на ВЛ 10 кВ при эксплуатации, монтаже и ремонте линий.

Вторая глава диссертации посвящена обоснованию методики расчета напряжения нулевой последовательности ВЛ 10 кВ, при расположении линии на опорах контактной сети напряжением 25 кВ с усиливающим проводом, и с учетом вебер–амперной характеристики трансформаторной стали трансформатора напряжения и конфигурации верхнего строения пути. Проведен анализ результатов измерений на опытном полигоне Северной железной дороги – филиала ОАО «РЖД».

Разработана математическая модель системы тягового электроснабжения и воздушной линии 10 кВ, расположенной на опорах контактной сети переменного тока. Предложенная модель отличается от известных учетом наличия распределенных по длине линии трансформаторов с нелинейной вебер - амперной характеристикой трансформаторной стали, носящей инерционный характер.

Полагая, что трехфазная линия ВЛ 10 кВ питается практически симметричной системой напряжений (как линейных, так и фазных) от источника питания – вторичной обмотки понижающего трансформатора и в силу этого - линейные напряжения ВЛ 10 кВ равны по величине, а напряжения «провод ВЛ 10 кВ – земля» могут существенно различаться по амплитуде и по фазе. В таком случае напряжение трехфазной системы относительно земли при их разложении на симметричные составляющие будут включать в свой состав напряжение нулевой последовательности U0, вызываемое, в основном, электрическим влиянием напряжения контактной сети и магнитным влиянием токов нагрузки в тяговой сети.

В работе показано, что при расчете электрического влияния напряжения контактной сети на ВЛ 10 кВ необходимо учитывать конфигурацию верхнего строения пути (выемки, насыпи и т.п.), используя собственные и взаимные потенциальные коэффициенты. Отмечено что, данные коэффициенты рассчитываются по известным формулам как при горизонтальной поверхности верхнего строения пути, так и на участках с насыпью и выемкой и определяются взаимным расположением проводов контактной сети и воздушной линии.

В результате получено соотношение для расчета напряжения нулевой последовательности, учитывающее электрическое влияние контактной сети на провода ВЛ 10 кВ:

, (1)

где  - напряжение контактной сети относительно земли, В; aa, кк - собственные потенциальные коэффициенты проводов фаз ВЛ 10 кВ и контактной сети; ab, aк - взаимные потенциальные коэффициенты соответственно между проводами фаз А и В линии 10 кВ и контактной сети.

Подтверждено, что напряжение, наводимое на ВЛ 10 кВ, существенно зависит от геометрического расположения проводов линии, конфигурации верхнего строения пути, а также конструктивного исполнения контактной сети, наличия усиливающих проводов.

Используя методику расчета, установлено, что на изолированном от земли и отключенном от источника питания проводе ВЛ 10 кВ наведенное напряжение за счет электрического влияния контактной сети с усиливающим проводом составляет U0 = 4090 В. Полученное значение достаточно хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований на участке Вохтога – Лежа Северной железной дороги.

При расчете электромагнитного влияния контактной сети на ВЛ 10 кВ с СИП необходимо учитывать нелинейные характеристики намагничивания измерительных трансформаторов напряжения, которые подключаются к линии.

Измерительные трансформаторы напряжения типа НТМИ-10 подключаются к линии в ячейке фидера СЦБ, нейтральные точки высоковольтных обмоток которых заземляются.

Перечисленные выше особенности питания и расположения ВЛ 10 кВ приводят к возникновению резонансных (иногда и феррорезонансных) явлений в системе «ВЛ 10 кВ – трансформаторы типа ТН – система тягового электроснабжения».

В результате проведенного исследования получено выражение для расчета напряжения нулевой последовательности, в котором учтены параметры трансформатора напряжения ТН-0,05/10. Определяется это тем, что измерительный трансформатор работает в режиме близком к режиму холостого хода. В этом случае, напряжение нулевой последовательности может быть определено по формуле с учетом параметров измерительного трансформатора:

, (2)

где l - длина сближения ВЛ 10 кВ с контактной сетью, км; q0 и bф - параметры схемы замещения ветви холостого хода измерительного трансформатора ТН 0,05/10, 1/Ом; С1 – емкость между проводами ВЛ 10 кВ и контактной сетью с усиливающим проводом, Ф/км; Сф – емкость провода ВЛ 10 кВ относительно земли, Ф/км.

Используя выражение (2) для опытного участка Северной железной дороги получено значение U0 = 6280 В, которое с незначительной погрешностью согласуется с экспериментальными данными.

Выполнена оценка эффективности включения резистивного фильтра и емкостной компенсации для уменьшения электромагнитного влияния контактной сети на ВЛ 10 кВ с СИП и выбор их параметров с учетом предложенной методики.

Анализ результатов расчетов и экспериментальных данных показывает, что электрическое влияние уменьшается при включении в заземляющий спуск, соединяющий нулевую точку высоковольтной обмотки трансформатора типа ТС (ТМ)-25/10, расположенного в шкафу резистивного заземления нейтрали (ШРЗН), с контуром заземления и высоковольтным резистором. Вторичная обмотка соединяется в треугольник. Для токов нулевой последовательности трансформатор работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания.

Эффективность включения резистивного фильтра в значительной мере зависит от электрических характеристик ТН-0,05/10 и длины сближения ВЛ 10 кВ с контактной сетью. Так, при длине сближения ВЛ 10 кВ с контактной сетью равной 22 км (длина опытного участка на Северной железной дороге) сопротивление резистора должно быть не менее 0,5 кОм, тогда наведенное напряжение получается равным 870 В, что соответствует требованию п.11.14 Инструкции ЦЭ-462.

В результате получен коэффициент снижения электрического влияния контактной сети на ВЛ 10 кВ с СИП при включении резистивного фильтра нулевой последовательности.

, (3)

где U0Э - напряжение нулевой последовательности после включения резистивного фильтра, В; U0 - напряжение нулевой последовательности до включения резистивного фильтра, В; l - длина сближения ВЛ 10 кВ с контактной сетью, км; R - сопротивление высоковольтного резистора, Ом;

Lт  - индуктивность трансформатора ТС-25/10, установленного в ШРЗН, Гн;

С1 - емкость между проводами ВЛ 10 кВ и контактной сетью с усиливающим проводом, Ф/км; Сф - емкость провода ВЛ 10 кВ относительно земли, Ф/км.

При изменении сопротивления резистора с 0,5 до 3 кОм значение K увеличивается с 0,133 до 0,628 (при длине сближения линий равной 22 км). Это указывает на то, что стремление уменьшить потери в резисторе за счет его увеличения сопротивления приводит к возрастанию напряжения нулевой последовательности, что нежелательно.

Показано, что возможным путем ограничения электрического влияния контактной сети на провода ВЛ 10 кВ является включение между проводом и землей конденсатора.

Аналитически установлено и экспериментально подтверждено, что при включении емкости в фазу С = 2·10-6 Ф напряжение уменьшилось с 6280 В до 500 В.

Подтверждено, что обеспечение электромагнитной совместимости высоковольтной линии с системой тягового электроснабжения может быть достигнуто путем включения в ВЛ 10 кВ резистивно-емкостного фильтра нулевой последовательности.

Третья глава посвящена анализу грозовых перенапряжений в ВЛ 10 кВ с СИП при нахождении на опорах контактной сети переменного тока. Обоснованию выбора шага транспозиции проводов ВЛ 10 кВ.

При определении магнитного влияния контактной сети переменного тока на смежные линии в качестве расчетных принимаются два режима:

- вынужденный режим, при котором одна из тяговых подстанций отключена и все локомотивы, находящиеся на межподстанционной зоне, получают одностороннее питание от тяговой полстанции;

- режим короткого замыкания.

Для каждого из этих режимов выполняются расчеты влияющего тока при питании от одной и второй подстанций и сравниваются с нормируемыми значениями. Известно, что одной из мер по снижению магнитного влияния контактной сети от токов нагрузки является применение транспозиции проводов воздушной линии.

В работе показано, что выбор шага транспозиции проводов определяется электромагнитным влиянием токов электроподвижного состава. При расчетах выбора шага транспозиции в качестве наиболее значимых частот являются третья и пятая гармоники тока, так как в токе электровоза эти гармоники являются определяющими. Поэтому согласно ГОСТ 13109–97 требования к третьей гармонике являются более жесткими по сравнению с требованиями к пятой гармонике. В качестве расчетной гармоники выбирается третья.

Результаты расчетов токораспределения в системе тягового электроснабжения 25 кВ с усиливающим проводом показывают, что наибольшее значение U0 имеет место на первом шаге первого цикла транспозиции, т.к. в этом случае значения токов в проводах контактной сети максимальны.

В результате шаг транспозиции проводов ВЛ 10 кВ с СИП должен быть принят равным 3 км при расстоянии между проводами 0,65 м (полный цикл транспозиции – 12 км). Уменьшение шага транспозиции ослабляет механическую прочность линии электропередач и удорожает её.

Важное место в главе занимает анализ грозовых перенапряжений в ВЛ 10 кВ с СИП при нахождении на опорах контактной сети переменного тока. Статистические данные о повреждаемости изоляции контактной сети, ВЛ 10 кВ, изоляции тяговых трансформаторов и устройств СЦБ, связи и т.д. в грозовой период свидетельствуют об актуальности вопросов грозозащиты систем тягового и нетягового электроснабжения железных дорог. Грозовые перенапряжения в самонесущих изолированных проводах ВЛ 10 кВ при их расположении на опорах контактной сети возникают по ряду причин. Основные из них следующие:

- вынос напряжения рельсовый путь–земля на изоляцию ВЛ 10 кВ с СИП при разряде тока молнии в контактную сеть;

- прямой удар тока молнии в провод (чаще всего крайний с полевой стороны) ВЛ 10 кВ;

- перенапряжения на изоляции ВЛ 10 кВ при разряде тока молнии в землю, т.е. вблизи электрифицированного участка.

В диссертации дана оценка уровней этих перенапряжений и соответственно расчет вероятности перекрытия изоляции ВЛ 10 кВ в грозовой период согласно предложенной методике расчета.

Основными показателями грозоупорности ВЛ 10 кВ с СИП являются –удельное число грозовых отключений nг, рассчитанное на 100 км и один год эксплуатации линии, и абсолютное число грозовых отключений Nг, рассчитанное на фактическую длину ВЛ и фактическую интенсивность грозовой деятельности.

Установлено, что при расположении ВЛ 10 кВ на опорах контактной сети переменного тока вероятность прорыва молнии зависит от расположения усиливающего провода (угла защиты, образованного вертикалью, проходящей через усиливающий провод и линией, соединяющей усиливающий провод с проводом ВЛ 10 кВ, превышения усиливающего провода над проводом ВЛ 10 кВ) и высоты опоры, на которой подвешены провода.

Показано, что практически важно не установление предельно возможных величин грозовых перенапряжений в ВЛ 10 кВ, а оценка вероятности превышения перенапряжениями некоторых допустимых значений, в частности, 50% - ного разрядного напряжения изоляции при стандартном грозовом импульсе (U50%).

Для ВЛ 10 кВ с СИП удельное число отключений, обусловленных прорывом тока молнии (прямой разряд непосредственно в крайнюю фазу), получено равным:

, (4)

где рпр- вероятность прорыва тока молнии и непосредственного поражения ВЛ 10 кВ; h0 – высота опоры, на которой подвешены самонесущие провода ВЛ 10 кВ, м; U50%- 50% - ное разрядное напряжение изоляции при стандартном грозовом импульсе, кВ.

Применительно к геометрическому расположению провода ВЛ 10 кВ и усиливающего провода на опоре контактной сети h0 = 8,5 м и U50% = 250 кВ, удельное число отключений ЛЭП 10 кВ получено равным nг=0,043. Следовательно, число отключений ВЛ 10 кВ с СИП при прямом ударе молнии в крайнюю фазу ВЛ незначительно, т.е. усиливающий провод работает в данном случае как грозозащитный трос.

Подтверждено, что при разряде молнии в опору контактной сети уровни грозовых перенапряжений в рельсовом пути зависят как от параметров тока молнии, так и от импульсного сопротивления рельсового пути, так как он используется в качестве заземляющего устройства. С доверительной вероятностью равной 0,95 интервал изменения импульсного сопротивления рельсового пути равен Ом.

Аналитически установлено, что при ударе молнии в вершину опоры заземленной на рельсовый путь, среднее число возникновения опасных разрядов молнии, вызывающих перекрытие изоляции ВЛ 10 кВ с СИП напряжениями «рельсы-земля», составит 4 удара в течение года. Следовательно, не реже четырех раз в год возможен режим, когда при разряде тока молнии в контактную сеть происходит перекрытие изоляции СИП 10 кВ. При возникновении этого режима произойдет отключения ВЛ 10 кВ, т.к. возникнет двух (трех) фазное короткое замыкание в сети.

Разряд молнии в землю вблизи опоры контактной сети приводит к возникновению перенапряжений в ВЛ 10 кВ в результате сильного электромагнитного поля. Установлено, что при разряде молнии в землю удельное число грозовых отключений равно 6 ударам в год.

Полученное значение числа перекрытий ВЛ 10 кВ с СИП при разряде токов в землю существенно превышает число возможных отключений линии как при прямом разряде тока молнии в ВЛ 10 кВ, так и напряжении рельсовый путь-земля при стекании тока молнии с рельсового пути в случае разряда в контактную сеть.

Четвертая глава посвящена разработке и расчету параметров резистивно-емкостного фильтра для ограничения до допустимых значений напряжений нулевой последовательности при подключении к ВЛ 10 кВ с СИП.

Показано, что используя методику выбора параметров резистивно-емкостного фильтра, описанную в главе 2 работы, можно технически реализовать устройство по уменьшению электромагнитного влияния тяговых сетей на смежные линии. На рис. 1 приведена предлагаемая схема подключения резистивно-емкостного фильтра к ВЛ 10 кВ.

Резистивно-емкостной фильтр подключается к линии через трансформатор ТС (ТМ) – 25/10, который размещается в шкафу резистивно-ёмкостного заземления нейтрали. Высоковольтная обмотка трансформатора соединяется по схеме звезда, нулевая точка которого выведена для подключения к контуру заземления. Пассивный двухполюсник включается в заземляющий спуск, составленный из соединенных параллельно резистора и конденсатора (батареи конденсаторов). Вторичная обмотка трансформатора включается по схеме треугольник. Фильтр может подключаться к сборным шинам электроустановки или непосредственно к линии в любой точке.

Установлено, что обеспечение электромагнитной совместимости высоковольтных линий с системой тягового электроснабжения 25 кВ может быть достигнуто путем включения резистивно-емкостного фильтра со следующими параметрами - сопротивлением высоковольтного резистора равным 1,25 кОм и конденсатора емкостью 6·10-6 Ф.

При консольном питании ВЛ 10 кВ (нормальная схема питания) резистивно-емкостные фильтры подключаются в начале и конце линии (на тяговых подстанциях). Допускается установка резистивно-емкостных фильтров непосредственно на перегонах (например, в районе постов секционирования контактной сети) с указанными выше параметрами для уменьшения электромагнитного влияния контактной сети при секционировании ВЛ 10 кВ. Заземление ШРЕЗН на перегоне выполняется согласно Инструкции ЦЭ-191.

Рисунок 1 - Расчетная схема и схема замещения системы электроснабжения ВЛ 10 кВ с СИП при ее расположении на опорах контактной сети

1 - трансформатор собственных нужд; 2 - нагрузка на стороне 0,4 кВ; 3 - питающий ВЛ 10 кВ трансформатор; 4 - измерительный трансформатор ТН-0,05/10; 5 - трансформатор модуля ТС (ТМ) - 25/10 (шкафа) с резистивно–емкостной компенсацией (6); 7 - эквивалентное емкостное сопротивление ВЛ 10 кВ с СИП.

Пятая глава посвящена разработке методов безопасного выполнения работ на ВЛ 10 кВ с СИП, находящейся в зоне электромагнитного влияния тяговой сети переменного тока.

Работы по техническому обслуживанию ВЛ 10 кВ, расположенных на опорах контактной сети переменного тока, выполняются: со снятием напряжения только с ВЛ, контактная сеть остается под напряжением или со снятием напряжения с ВЛ и контактной сети.

Для обоснования расстояния между заземляющими штангами построена математическая модель, где рельсовый путь четного и нечетного путей соединен междупутными соединителями между собой через два дроссельных стыка на третий, заземляющая штанга устанавливается у междупутного соединителя.

Наибольшее напряжение «рельсы – земля» для рассматриваемой модели, находится по формуле, известной из работ А.Б. Косарева:

, (5)

при К = 1 – 0,4·(lш - 0,1); 0,8 lш 0,1,

где К – коэффициент, определяющий снижение напряжения «рельсы - земля» за счёт шунтирования части рельсового пути контактной сетью, lш – расстояние между штангами, км; II; III – токи короткого замыкания, протекающие по фидерам подстанций I и II, А; Z12 – взаимное индуктивное сопротивление между соответствующими контурами «проводник - земля», Ом; Zв – волновое сопротивление рельсовой цепи, Ом.

В результате статического моделирования и последующей обработки полученных результатов выявлено, что значения напряжений «рельс – земля» на отключённом и заземлённом участке распределены при фиксированных расстояниях между заземляющими штангами по логарифмически нормальному закону.

Получено выражение, которое позволяет для любой заданной вероятности определить значения напряжений «рельс–земля». Это обстоятельство используется для количественной оценки условий электробезопасности и при обосновании расстояний между заземляющими штангами. В результате расстояние между заземляющими штангами при отключенной ВЛ рекомендовано увеличить до 800 метров.

В диссертации предложено устройство для наложения заземлений (рис.2). Применение устройства не позволяет дополнительно нарушать целостность изоляции самонесущих изолированных проводов воздушных линий, что уменьшает вероятность повреждения линии при схлестывании проводов (коротком замыкании) и т.д. Обслуживающий персонал визуально видит место установки заземления на линии, вследствие чего соответственно тратиться меньше времени на его установку. Кроме того, с точки зрения психологии очень важно, что обслуживающий персонал видит металлическое соединение заземления и воздушной линии.

Рисунок 2 – Устройство для подключения заземляющих штанг к СИП 10 кВ

1 - место для подключения заземляющей штанги, отсутствует изоляция;

2 - прокалывающий зажим; 3 - провод СИП 10 кВ

В шестой главе приведены технико-экономические расчеты по внедрению предложенной схемы электроснабжения нетяговых потребителей.

В работе выполнены расчеты для двух вариантов электроснабжения нетяговых потребителей электрифицированных железных дорогах переменного тока при вновь проводимом строительстве:

1) электрификация железнодорожных путей на переменном токе и сооружение ВЛ 10 кВ на отдельно стоящих опорах вне габаритов верхнего строения пути (отдельно стоящая линия),

2) электрификация железнодорожных путей и сооружение ВЛ 10 кВ на опорах контактной сети переменного тока, при установке устройств ШРЕЗН.

Показано, что в результате проведенных расчетов годовая экономия от приведенных затрат при сравнении двух вариантов составляет 35,4 млн.руб/год или на 19,8 % второй вариант экономичнее первого, а именно при размещении ВЛ 10 кВ с СИП на опорах контактной сети переменного тока.

Заключение по работе.

1. Разработана математическая модель системы электроснабжения нетяговых потребителей при ее питании от высоковольтных линий электропередач напряжением свыше 1000 В с изолированной нейтралью, отличающаяся от известных учетом электромагнитного влияния напряжения контактной сети и токов в многопроводных тяговых сетях переменного тока, в том числе и в тяговых сетях с усиливающим проводом.

2. Предложена методика расчета электрического влияния системы тягового электроснабжения переменного тока на участках со сложной конфигурацией земляного полотна на слабозагруженных ВЛ 10 кВ.

В методике учтены феррорезонансные перенапряжения в ВЛ 10 кВ при её отключении от питающего силового трансформатора и наличии в линии измерительных трансформаторов напряжения.

3. Обоснована методика расчета параметров устройств ограничения перенапряжений в ВЛ 10 кВ, обусловленная электромагнитным влиянием контактной сети переменного тока.

Для ограничения электрического влияния контактной сети переменного тока с усиливающим проводом на ВЛ 10 кВ предложен и внедрен резистивно – емкостной фильтр, установленный в шкафу резистивно-емкостной защиты от напряжения нулевой последовательности.

Показано, что при включении резистивно – емкостного фильтра в цепь (нулевая точка первичной обмотки силового трансформатора ТС (ТМ) – 25/10 - заземлитель, вторичная обмотка силового трансформатора обязательно должна быть соединена в треугольник) напряжение нулевой последовательности фазных напряжений ВЛ 10 кВ не превышает допустимых значений.

Результат экспериментальных исследований по оценке эффективности внедрения резистивно-емкостного фильтра достаточно хорошо корреспондируется с данными исследований по расчету и моделированию напряжения нулевой последовательности. Расхождение в определении напряжения нулевой последовательности расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 %.

Система электроснабжения нетяговых потребителей с включенным резистивно-емкостным фильтром защищена патентом на полезную модель № 80146, опубликованно 27.01.2009.

4. Предложен алгоритм анализа импульсных (грозовых) перенапряжений в ВЛ 10 кВ при разрядах токов молнии как непосредственно в СИП ВЛ, так и вблизи электрифицированного участка.

Установлено, что среднее число возникновения опасных разрядов молнии, вызывающих перекрытие изоляции ВЛ 10 кВ с СИП напряжениями «рельсы-земля», не превышает 4 ударов в течение года.

Число перекрытий изоляции СИП 10 кВ при разряде токов молнии в землю существенно превышает число возможных отключений ВЛ10 кВ по сравнению с прямым попаданием токов молнии в воздушные провода ЛЭП.

5. Разработана концепция безопасного обслуживания системы тягового электроснабжения, питающейся от ВЛ 10 кВ с СИП.

Учтено, что допустимое условие обеспечения электробезопасности носит вероятностный характер, а воздействующие напряжения распределены по логарифмическому нормальному закону.

Установлено, что при работах на ВЛ 10 кВ с СИП расстояние между заземляющими штангами можно увеличить до 800 метров.

Завешивание заземляющих штанг осуществляется на специально разработанный в диссертации зажим, исключающий попадание влаги в место прокола СИП.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях,

рекомендованных ВАК РФ

1. Косарев А.Б., Симаков А.В., Вржесинский А.Е. Электромагнитная совместимость расположенных на опорах контактной сети высоковольтных линий с системой тягового электроснабжения переменного тока. // Вестник ВНИИЖТ. – 2009. №1. – С.3-9.
2. Косарев А.Б., Вржесинский А.Е. Электрическое влияние тяговых сетей переменного тока системы электроснабжения 2х25 кВ на воздушные провода высоковольтных линий. // ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление.-2009. - №3. – С.20-25.
3. Косарев А.Б., Вржесинский А.Е. Анализ грозовых перенапряжений в воздушных проводах ВЛ 10 кВ при их расположении на опорах контактной сети переменного тока. // ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление.-2010. - №9. – С.15-19.

Научные публикации в других изданиях

1. Вржесинский А.Е., Косарев Б.И., Москвин С.Л., Попов Ю.Б., Симаков А.В., Хананов В.В. Устройство электроснабжения высоковольтных линий автоблокировки в зонах электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока. Патент на полезную модель № 80146 Российская Федерация МПК В60М 3/00, В60М 1/12. Опубликован 27.01.2009.
2. Косарев А.Б., Симаков А.В., Вржесинский А.Е. Электромагнитное влияние тяговой сети переменного тока на ВЛ 10 кВ и технические решения по его ограничению. // Труды девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». – М.: МИИТ, 2008. – С.VI-4-VI-5.
3. Вржесинский А.Е. Экспериментальные исследования электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока на воздушные линии электроснабжения, проложенные по опорам контактной сети. // Труды десятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». – М.: МИИТ, 2009. – С.XIII-81-XIII-82.
4. Косарев А.Б., Вржесинский А.Е., Попов А.Ю. Технические решения по ограничению электромагнитного влияния систем электроснабжения переменного тока на воздушные линии напряжением свыше 1000 В с изолированной нейтралью. // Труды одиннадцатой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». М.: МИИТ, 2010. – С.VI8-VI11.