CC BY
33
Попов Денис Игоревич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-27.
E-mail: [email protected]
Байсадыков Марсель Фаритович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Инженер кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-27.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Харламов, В. В. Алгоритм прогнозирования ресурса работы электрических щеток тяговых электродвигателей [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов, М. Ф. Байсадыков // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 1 (29). -С. 47 - 56.
Popov Denis Igorevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation. Candidate of Technical Sciences, associate professor of the department «Electrical achines and general electrical engineering»
Phone: +7 (3812) 31-18-27 Email: [email protected]
Baysadykov Marsel Faritovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation. Applicant of the department «Electrical machines and general electrical engineering» OSTU. Phone: +7 (3812) 31-18-27 Email: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Kharlamov V. V., Popov D. I., Baysadykov М. F. The algorithm of forecasting of resource of electric brushes traction motors. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 47 - 56 (In Russian).
УДК 621.3.053.21
К. В. Авдеева, А. А. Медведева, А. В. Уткина
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ДРЕНАЖНАЯ УСТАНОВКА
Аннотация. По результатам анализа существующих средств дренажной защиты выявлено, что ни одно из них не обеспечивает нахождение потенциала заземляющего устройства тяговой подстанции (ЗУ ТП) относительно медно-сульфатного электрода сравнения (МСЭ) в защитном диапазоне за весь период эксплуатации. Для устранения данного недостатка выполнено совершенствование автоматической дренажной установки. Основой работы автоматической дренажной установки является управление током дренажа путем изменения длительности импульса тока, регулируемой автоматически, относительно заданного значения потенциала «ЗУ ТП - МСЭ». В статье приведены функциональная схема с описанием основных узлов усовершенствованной автоматической дренажной установки и результаты испытаний макетного образца в полевых условиях. При проведении испытаний автоматическая дренажная установка доказала свою эффективность в полевых условиях. Представленные результаты испытаний наглядно иллюстрируют, что автоматическая дренажная установка ограничивает ток, протекающий через заземляющее устройство к минусу тяговой подстанции, не давая потенциалу «ЗУ ТП - МСЭ» отклоняться от установленного значения.
Ключевые слова: заземляющее устройство, тяговая подстанция, блуждающие токи, автоматическая дренажная установка, защитный потенциал.
Ksenia V. Avdeeva, Anna A. Medvedeva, Anastasia V. Utkina
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
AUTOMATIC DRAINAGE UNIT
Abstract. The existing protection does not provide protective potential of traction substation grounding grid for the entire period of operation. This disadvantage is removed by improving of automatic drainage unit. The basis of the automatic drainage system is automatic control of drainage current by changing the pulse width of current. This method of current control allows the defined potential remain at the set value. The article presents a functional diagram describing the basic units of the improved automatic drainage unit.
The results of the automatic drainage unit tests illustrate that the automatic drainage unit limits the current flowing through the grounding grid to the traction substation, allowing the potential remain at the set value
Improved automatic drainage unit has great advantages in relation to existing and operated drain units at this moment and it can be recommended for introduction to the electrification infrastructure of the railway industry. Also this automatic drainage unit can be used for protection of other metal underground structures such as pipelines and other metal structures influenced by stray currents.
Keywords: grounding grid, traction substation, stray current, automatic drainage unit, protective potential.
Заземляющее устройство тяговой подстанции находится в непосредственной близости от точки подключения отсасывающей линии к тяговым рельсам и располагается в зоне высоких градиентов потенциала, создаваемых обратным тяговым током. Этим обусловливается протекание через элементы заземляющего устройства токов, достигающих значительных величин, превышающих 100 А [1].
Защита дренажными установками заключается в отводе тока с заземляющего устройства на источник.
Существующие установки дренажной защиты можно разделить на три группы: поляризованные, автоматические и усиленные.
Поляризованная дренажная установка [1] обладает односторонней проводимостью, которая обеспечивается последовательным включением поляризованного реле или вентильных элементов в дренажную цепь. Суточные и сезонные изменения интенсивности движения поездов влияют на значения тяговых токов и, как следствие, приводят к значительным колебаниям разности потенциалов «ЗУ ТП - МСЭ». При этом в отдельные моменты времени на защищаемом сооружении потенциал может выходить за пределы защитных значений, установленных нормативной документацией [2]. Тем самым однократный выбор значения добавочного сопротивления не обеспечивает защиту ЗУ ТП от коррозии блуждающими токами в условиях эксплуатации.
Усиленная дренажная установка [1] отличается от поляризованного дренажа наличием источника выпрямленного напряжения, позволяющего увеличить дренажный ток. Это позволяет поддерживать защитный потенциал на подземном сооружении при его недозащите. Недостатками данной установки являются необходимость в дополнительном источнике питания и перезащите сооружения.
Существуют поляризованные дренажные установки, которые в зависимости от значения силы тока дренажа осуществляют коммутацию наборов сопротивлений и элементов, имеющих одностороннюю проводимость [3]. Данная установка не обеспечивает плавной регулировки тока дренажа, что также может привести к выходу потенциала за пределы защитного диапазона.
Таким образом, существующие установки дренажной защиты не обеспечивают нахождение потенциала «ЗУ ТП - МСЭ» в защитном диапазоне за весь период эксплуатации. Поэтому было проведено совершенствование автоматической дренажной установки, устраняющее данный недостаток.
Управление постоянным током в десятки и сотни ампер является непростой задачей, требующей грамотного подхода в выборе средств реализации. Для ее решения целесообразно использовать мощные электронные коммутаторы на токи в сотни ампер, в качестве которых
может выступать, например, тиристор с принудительным закрыванием [4] или биполярный транзистор с изолированным затвором.
Значение потенциала «ЗУ ТП - МСЭ» можно поддерживать на заданном уровне путем представления тока дренажа импульсной последовательностью с постоянным периодом коммутации, но изменяющейся длительностью импульсов тока.
Работу автоматической дренажной установки можно описать так [3]:
U ЗУ ТП-МСЭ = К—д = СО^ (1)
где UЗУ ТП _ МСЭ - разность потенциалов «ЗУ ТП - МСЭ», В; /д _ ток в дренажной цепи, А; K _ коэффициент пропорциональности,
1 4
(2)
"^Ц гг 1 0
где Т _ период импульсов тока в дренажной цепи, с; 11 _ длительность импульса, с; /(¿) _ текущее значение тока, А.
Так как интегрирование производится в малые промежутки времени (0 _ t1), то без большой погрешности можно допустить, что ток остается величиной постоянной и его можно вынести за знак интеграла [4]:
Iд = - Г ^ = = —, (3)
т I т 1 0' у 7
0 ^
'д
иЗУ ТП - МСЭ ^ Кд ■ (4)
Т
где 0 =--скважность.
Ч
I ^) = 1, 0 < t < t1;
I (г) = 0, ^ < t < Т.
Следовательно, можно записать [4]:
Таким образом, можно добиться эффективного управления током дренажа путем изменения длительности импульса тока, регулируемой автоматически, относительно заданного значения потенциала «ЗУ ТП _ МСЭ». Такой подход исключает увеличение разности потенциалов «ЗУ ТП _ МСЭ» и возможную перезащиту элементов заземляющего устройства тяговой подстанции, которая может привести к развитию электрокоррозии.
Данный принцип является основой работы усовершенствованной дренажной установки.
Структурная схема усовершенствованной автоматической дренажной установки представлена на рисунке 1.
Автоматическая дренажная установка (АДУ) включает в себя два основных блока: дренажную цепь 1 и блок управления 8. Дренажная цепь представлена последовательным соединением предохранителя 2, рубильника 3, шунта 4, к которому подключается измерительный прибор 5 силового коммутатора 6.
Блок управления 8 включает в себя фильтр низких частот 9, ко входам которого подключаются заземляющее устройство тяговой подстанции и медно-сульфатный электрод сравнения 7, сравнивающее устройство 10, источник опорного напряжения 11, генератор тактовых импульсов 12, формирователь пилообразного напряжения 13, усилитель сигнала ошибки 14, компаратор 15, счетный триггер 16, схемы совпадения 17 и 18, схема «ИЛИ» 19.
Данная АДУ [5] является усовершенствованием схемы, приведенной в работе [4]. Усовершенствование заключается в добавлении фильтра низких частот 9. Поскольку при работе
АДУ потенциал «ЗУ ТП - МСЭ» представляет собой импульсный сигнал, а в нормативной документации [2] указаны постоянные значения потенциала, то с помощью фильтра низких частот 9, на вход которого поступает разность потенциалов «ЗУ ТП - МСЭ», выделяется постоянная составляющая потенциала «ЗУ ТП - МСЭ». На один из входов сравнивающего устройства 10 выделяется постоянная составляющая сигнала «ЗУ ТП - МСЭ», на другой вход - сигнал от источника опорного напряжения 11. Сравнивающее устройство 10 формирует сигнал ошибки, который после усилителя сигнала ошибки 14 поступает на один из входов компаратора 15. На другой вход компаратора 15 приходит пилообразное напряжение (рисунок 2, б) от формирователя пилообразного напряжения 13, которое синхронизируется сигналом иТ (рисунок 2, а) от генератора тактовых импульсов 11. Импульсу длительностью ^ соответствует сигнал ошибки и01, импульсу длительностью Ь - и02.
Реактор
К средней точке
Рисунок 1 - Структурная схема автоматической дренажной установки
Пилообразное напряжение (см. рисунок 2, б) также подается на триггер 16, с неинверти-рующего выхода которого импульсы прямоугольной формы и(1 длительностью Т и периодом следования 2Т (рисунок 2, в) приходят на вход схемы совпадения 17. На вход схемы совпадения 18 поступают прямоугольные импульсы иа с инвертирующего выхода счетного триггера 16, имеющие сдвиг на полпериода Т по сравнению с иг1 (рисунок 2, г). На другие входы схем совпадения 17 и 18 идут импульсы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с выхода компаратора 15 с переменной длительностью, которая уменьшается при увеличении сигнала ошибки.
С выходов схем совпадения 17 и 18 импульсы поступают на схему «ИЛИ» 19. На выходе схемы «ИЛИ» 19 из входных сигналов складывается импульсная последовательность ив с меняющейся скважностью, длительность импульсов которой тем меньше, чем больше потенциал «ЗУ ТП - МСЭ» (рисунок 2, д).
Импульсная последовательность ив управляет силовым коммутатором 6, входящим в состав дренажной цепи 1. За время импульса через коммутатор происходит отвод блуждающих токов с ЗУ ТП в отсасывающую линию тяговой подстанции. Во время паузы коммутатор размыкает цепь.
Для определения величины дренажного тока предусмотрен шунт 4 с измерительным прибором 5.
Для защиты автоматической дренажной установки от токов, превышающих максимально допустимые значения, служит предохранитель 2 [5].
На одной из тяговых подстанций постоянного тока были проведены испытания макетного образца усовершенствованной автоматической дренажной установки. Усовершенствованная АДУ на время испытаний подключалась вместо существующей поляризованной дренажной установки (ПДУ). Схема включения представлена на рисунке 3. Перед началом испытаний были проведены измерения потенциала заземляющего устройства относительно медно-сульфатного электрода сравнения. Потенциал «ЗУ ТП _ МСЭ» в отсутствие тока в дренажной цепи составил минус 0,6 В, что соответствует недостаточной защищенности ЗУ ТП.
На передней панели макетного образца имеется ручка установки требующегося значения потенциала «ЗУ ТП _ МСЭ».
Рисунок 2 _ Временные диаграммы работы автоматической дренажной установки
► К
отсасывающей линии
Рисунок 3 _ Схема для проведения испытаний
№ 1(29) 2017
На рисунках 4 и 5 приведены осциллограммы тока в дренажной цепи при работе автоматической дренажной установки при значениях потенциалов «ЗУ ТП - МСЭ», равных минус 1 В и минус 1,3 В соответственно.
200
Рисунок 4 - Осциллограмма тока в дренажной цепи при значении потенциала «ЗУ ТП - МСЭ», равном минус 1 В
Рисунок 5 - Осциллограмма тока в дренажной цепи при значении потенциала «ЗУ ТП - МСЭ», равном минус 1,3 В
На осциллограммах (см. рисунки 4, 5) период коммутации автоматической дренажной установки Т равен 6,38 мс. На первой осциллограмме (см. рисунок 4) длительность импульса Ь = 4,94 мс, амплитуда импульса тока 11 = 83 А.
На второй осциллограмме (см. рисунок 5) длительность импульса Ь = 5,66 мс, амплитуда импульса тока /2 = 95 А.
Подставив значения Т, t1, /1, /2 в формулу (3), определим ток дренажа для обоих случаев. При значении разности потенциалов «ЗУ ТП - МСЭ», равном минус 1 В, /д = 64 А, при значении разности потенциалов «ЗУ ТП - МСЭ», равном минус 1,3 В, значение /д больше и равно 84 А.
Из выражения (4) коэффициент пропорциональности К составил -0,0155.
При сравнении осциллограмм на рисунках 4 и 5 и результатов расчетов видно, что в обоих случаях автоматическая дренажная установка ограничивает ток, протекающий через
заземляющее устройство к минусу тяговой подстанции, не давая потенциалу «ЗУ ТП -МСЭ» отклоняться от установленного значения более чем на ±0,1 В.
При проведении эксперимента постоянно замерялся потенциал «заземляющее устройство тяговой подстанции - медно-сульфатный электрод сравнения» при помощи вольтметра. При этом заданные на автоматической дренажной установке значения потенциала соответствовали его показаниям. Следовательно, добавление фильтра низких частот позволяет повысить точность поддержания потенциала «заземляющее устройство тяговой подстанции -медно-сульфатный электрод сравнения».
Сравнительные вольт-амперные характеристики усовершенствованной автоматической установки и поляризованной дренажной установки приведены на рисунке 6.
Рисунок 6 - Вольт-амперная характеристика поляризованной и автоматической дренажных установок
Усовершенствованная автоматическая дренажная установка позволяет при изменении тока в дренажной цепи удерживать значение потенциала «ЗУ ТП - МСЭ» в зоне защитных потенциалов.
Полевые испытания подтвердили эффективность предложенных схемных решений усовершенствованной АДУ.
АДУ имеет значительные преимущества по сравнению с существующими дренажными установками, такие как повышение точности поддержания потенциала «ЗУ ТП - МСЭ», автоматическое управление током дренажа, малое энергопотребление и стоимость самой дренажной установки, и может быть рекомендована для защиты как ЗУ тяговых подстанций постоянного тока электрифицированных железных дорог, так и других подземных сооружений, таких как трубопроводы и прочие металлические конструкции, подверженные воздействию блуждающих токов.
Список литературы
1. Котельников, А. В. Совершенствование защиты железнодорожных конструкций от электрокоррозии [Текст] / А. В. Котельников, Е. А. Баранов. - М.: Транспорт. - 1990. - 32 с.
2. ГОСТ 9.602-2005. Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные [Текст] / Общие требования к защите от коррозии. Актуализированная редакция. Введ. с 01.01.2007. - М.: Стандартинформ. - 2013. - 60 с.
3. Стрижевский, И. В. Теория и расчет дренажной и катодной защиты магистральных трубопроводов от коррозии блуждающими токами [Текст] / И. В. Стрижевский. - М.: Гос-топтехиздат, 1963. - 238 с.
4. Котельников, А. В. Блуждающие токи и эксплуатационный контроль коррозионного состояния подземных сооружений системы электроснабжения железнодорожного транспорта [Текст] / А. В. Котельников, В. А. Кандаев / УМЦ ЖДТ. - М., 2013. - 552 с.
References
1. Kotelnikov V. A., Baranov E. A. Sovershenstvovanie zashhity zheleznodorozhnyh kon-strukcij ot jelektrokorrozii (Improve the protection of railway structures from electrocorrosion). М.: Transport, 1990, 32 p.
2. Edinaya Sistema zachity ot korrozii i stareniya. Sooryjeniya podzemnye. Obchie trebovaniya k zachite ot korrozii. Aktyalizirovannaya redakcia, GOST 9.602-2005 (Unified system of protection from corrosion and ageing. The construction of underground. General requirements for corrosion protection. Revised edition, State Standard, Russian National Standard). Мoskov, 2013, 60 p.
3. Strizhevskiy I. V. Teorija i raschet drenazhnoj i katodnoj zashhity magistral'nyh trubo-provodov ot korrozii bluzhdajushhimi tokami (Theory and calculation of drainage and cathodic protection of pipelines from corrosion stray currents). М.: Gostoptekhizdat,1963, 238 p.
4. Kotelnikov V. A., Kandev V. A. Blyjdauchie toki I eksplyatacionniy kontrol korrozionnogo sostoiania podzemnich sooryjeniy sistemy elektrosnabgenia jeleznodorojnogo transporta (Stray currents and operational control of corrosion condition of underground structures of supply system of railway transport). M., 2013, 552 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Авдеева Ксения Васильевна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 37-60-82.
Медведева Анна Александровна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети», ОмГУПС.
Е-mail: [email protected]
Уткина Анастасия Владимировна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети», ОмГУПС.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Avdeeva Ksenia Vasilyevna
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation. Candidate of Technical Sciences, the senior lecturer of the department «Telecommunications, radiotechnical systems and networks», OSTU. Phone: +7 (3812) 37-60-82.
Medvedeva Anna Aleksandrovna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation
Post-graduate student of the department «Telecommunications, radiotechnical systems and networks», OSTU.
E-mail: [email protected].
Utkina Anastasia Vladimirovna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation
Post-graduate student of the department «Telecommunications, radiotechnical systems and networks», OSTU.
E-mail: [email protected].
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Авдеева, К. В. Автоматическая дренажная установка [Текст] / К. В. Авдеева, А. А. Медведева, А. В. Уткина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 1 (29). - С. 56 - 63.
Avdeeva K. V., Medvedeva A. A., Utkina A. V. Automatic drainage unit. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 56 - 63 (In Russian).
