CC BY
3
УДК 621.332.233
А. Г. Ходкевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ИЗМЕНЕНИЕ УСЛОВИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ С ТЯГОВОЙ СЕТЬЮ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА УЧАСТКАХ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ
Аннотация. Целью работы является анализ изменения условий работы систем, смежных электрифицированным железньш дорогам, при внедрении технологии бесстыкового пути. Задачами настоящего исследования являются: 1) доказательство наличия электрического влияния контактной сети на рельсы; 2) расчет уровня наведенного напряжения электрического влияния; 3) оценка возможности ухудшения электромагнитной обстановки систем, смежных электрифицированным железным дорогам, за счет электрического влияния. В статье использованы расчетно-анаттические методы исследования. В работе описана технология бесстыкового пути и произведена количественная оценка емкостной составляющей в сопротивлении «рельс - земля» на участках бесстыкового пути. Проведен анализ влияния емкостной составляющей сопротивления «рельс - земля» бесстыкового пути на условия электромагнитной совместихюсти железнодорожной автоматики и телемеханики с тяговой сетью переменного тока Рассчитаны распределенные емкости между контактной сетью и рельсами своего и смежного пути для различных типов контактного провода Доказано наличие электрического влияния. Выполнен расчет наведенных напряжений электрического влияния для разных типов контактного провода Результаты расчета показали, что разница наведенных напряжений электрического влияния на ближний и дальний рельсы соседнего пути ухудшает установленные условия электромагнитной обстановки для системы автоматической локомотивной сигнализации. Научная новизна проводимых исследований заключается в доказательстве наличия электрического влияния на рельсы и, как следствие, на системы, использующие рельсы в качестве каналов передачи информации Практическая значимость проведенных исследований заключается в описании егце одного источника мешающих воздействий для системы автоматической локомотивной сигнализации, что позволит искать эффективные пути решения проблемы сбоев кодов автоматической локолютивной сигнализации
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, электрическое влияние, тяговая сеть, бесстыковойпуть.
Anton G. Khodkevich
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
CHANGING THE CONDITIONS OF ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY OF RAILWAY AUTOMATION DEVICES WITH AC POWER SUPPLY ON SECTIONS OF A SEAMLESS TRACK
Abstract The purpose of the work is to analyze changes in the operating conditions of systems adjacent to electrified railways when introducing the technology of a seamless track The objectives of this study are: I) proof of the electrical influence of the contact network on the rails; 2) calculation of the level of induced voltage of electrical influence; 3) assessment of the possibility of electrical influence to worsen the electromagnetic environment of systems adjacent to electrified railways. The article uses computational and analytical research methods. The paper describes the technology of a seamless track and quantifies the capacitive component in the rail - ground resistance in sections of a seamless track The analysis of the influence of the capacitive component of the rail - ground resistance of a seamless track on the conditions ofelectromagnetic compatibility ofrailway automation and telemechanics with an alternating current taction network is carried out. The distributed capacities between the contact network and the reals of its own and adjacent tracks for various types of contact wire are calculated. The presence of an electrical influence has been proven. The calculation of induced voltages of electrical influence for different types of contact wire isperformed The calculation results showed that the difference in induced voltages of electrical influence on the near andfar rails of the adjacent track worsens the established conditions of the electromagnetic environment for the automatic locomotive signaling system. The scientific novelty of the research is to prove the presence of electrical influence on rails and, as a result, on systems using rails as information transmission channels. The practical significance of the conducted research lies in the description of (mother source of interfering influences for the automatic locomotive signaling .system, which will allow us to look for effective ways to solve the problem of failures of automatic locomotive signaling codes.
Keywords: electromagnetic compatibility, electrical influence, taction system, seamless track
Железнодорожный путь - это комплекс инженерных сооружений, предназначенных для пропуска по нему поездов с установленной скоростью. От состояния пути зависят непрерывность и безопасность движения поездов, но железнодорожный путь не единственный в решении этих задач. За бесперебойность движения отвечают также устройства тягового электроснабжения и устройства железнодорожной автоматики и телемеханики. Железнодорожный путь является общим элементом для хозяйств пути, тяги и автоматики. Модернизация пути затрагивает все эти хозяйства [1]. Современная конструкция железнодорожного пути (бесстыковой путь) не только увеличивает электрическое сопротивление «рельс - земля», приводящее к росту амплитуды тягового тока, протекающего по рельсам [2], но и вносит емкостную составляющую в это сопротивление [1].
До внедрения бесстыкового пути тяговая рельсовая сеть представляла собой электрически непрерывный естественный заземлитель, обеспечивающий все требуемые параметры для электроустановок с большими токами замыкания на землю (сопротивление не более 0,5 Ом) [3]. На участках бесстыкового пути последнее требование не выполняется из-за высокого сопротивления перехода «рельс - земля».
Входное сопротивление такого заземлителя для непрерывной рельсовой сети рассчитывают по формуле [1]:
R
Ф
Р 'р-з
(1)
где д - импульсный коэффициент заземлителя в переходном режиме короткого замыкания тяговой сети на рельс (д = 1,5 - 2,0);
гр - продольное сопротивление рельсов, Ом/км;
г р-з
сопротивление изоляции рельсов от земпи, Ом-км.
Для двухпутного участка бесстыкового пути при электротяге переменного тока минимальные гр и гр.3 равны соответственно 0,77 Ом/км и 48 Ом-км. Тогда входное сопротивление рельсовой сети как заземлителя равно 4,56 Ом (при д = 1,5), что в девять раз превышает норму 0,5 Ом [5].
Для участков с электротягой постоянного тока повышенное сопротивление перехода «рельс - земля» снижает гальваническое влияние тягового тока за счет снижения стекания тока в землю, а для участков при электротяге переменного тока возрастает величина тягового тока, протекающего в рельсах, что уже потребовало разработки дроссель-трансформаторов большей мощности ДТ-1МГ1-450П. Эти изменения - всего лишь малый аспект того, как изменение конструкции железнодорожного пути повлияло на работу смежных устройств. Автор предлагает рассмотреть вопрос: как изменились условия электромагшггпой совместимости устройств железнодорожной автоматики и телемеханики с тяговой сетью при внедрении бесстыкового пути.
По механизму передачи энергии различают следующие виды электромагнитных влияний: электрическое, магнитное и гальваническое.
Электрическое влияние проявляется за счет электрического поля влияющей линии или, по-другому, за счет емкостной связи между линиями (рисунок 1).
Контактную сеть (КС) и смежную линию (CJI) можно рассматривать как обкладки конденсатора емкостью С\ I, где Ci - емкость между С J1 и КС на 1 км длины системы, I - длина системы, км. Вместе со вторым конденсатором с обкладками СЛ - земля емкостью Col - этот конденсатор образует емкостной делитель, определяющий напряжение электрического влияния на CJ1 по формуле [2]:
U-, = UK
cti
■ Сг1+С01
Uu
С[+С()'
где Uk CI
• напряжение КС 27500 В;
• емкость между CJ1 и КС на 1 км длины системы;
Со - емкость между СЛ и землей; / - длина системы, км.
Рисунок 1 - Схема электрического влияния КС на СЛ: а - схема электрического влияния КС на СЛ; б - схема замещения электрического влияния
При этом видно, что если СЛ полностью лежит в зоне влияния КС, то длина системы / не имеет значения.
Принимая во внимание добавление емкостной составляющей в электрическое сопротивление «рельс - земля», в первую очередь нужно рассмотреть изменения в области электрического влияния. Первое и существенное изменение заключается в том, что рельсовая линия по отношению к КС приобретает свойства СЛ. На участках бесстыкового пути рельсы находятся под напряжением электрического влияния 1/э даже в отсутствие поездов на междподстанцинной зоне. На двухпутных участках на рельсы наводится напряжение контактным проводом не только своего пути, но и смежного. Влияние своего контактного провода отличает его симметричное расположение относительно левого и правого рельсов. Влияние контактного провода смежного пути на левый и правый рельсы будет разным, как следствие, возникает разность напряжений между рельсами вызывающая протекание тока асимметрии и его влияние на рельсовые цепи. Стоит отметь также, что при проведении ремонта пути и пропуске поездов по одному из путей перегона рельсы отключенного пути остаются под напряжением электрического влияния смежного пути. Предлагается провести оценку величины Уэ, для этого нужно сначала оценить емкость Со - емкость между рельсами и зеьшей.
Бесстыковой путь представляет собой цельносварные рельсы на железобетонных шпалах и новую конструкцию балластной призмы с использованием геотекстиля, пеноплэкса и других изоляционных материалов. Технология требует укладки геотекстиля на 40 см ниже подошвы шпалы [6]. Общий вид балластной призмы представлен на рисунке 2.
-О!
/Т) (2)
Л
ж
3 I
I'I':
4
X5)
/б' I
Рисунок 2 - Строение балластной пршмы: 1 -резиновая прокладка; 2 - чистый щебеночный балласт, 3 - пеноплэкс; 4 - геотекстиль; 5 - старый балластный слой; 6 - грунт земляного полотна
балластной призмы можно выделить две емкости, соединенные емкость, вносимая резиновой прокладкой, и емкость, вносимая двумя
В структуре последовательно -диэлектриками - пеноплэксом и геотекстилем.
Для количественной оценки емкости, вносимой резиновой прокладкой, обратимся к формуле емкости плоского конденсатора [3]:
5
(3)
где £ - постоянная диэлектрическои проницаемости диэлектрика;
£0 - постоянная диэлектрической проницаемости вакуума, 8,854- 10~12Ф/м;
S - площадь пластин конденсатора, м2;
if - расстояние между пластинами конденсатора, м.
В указанной емкости диэлектриком является резиновая прокладка ЦП-328 толщиной 10 мм, шириной 145 мм, диэлектрическая проницаемость 7,0.
Площадь пластин конденсатора S образуется шириной резиновой прокладки и шириной подошвы рельса Р65 (150 мм) и будет равна 0,02175 м2 для одного рельса. В соответствии со сводом правил [б] на участках, где предусмотрена укладка бесстыкового пути, железобетонные шпалы должны укладываться с равным расстоянием между их осями (543 мм для эпюры 1840 шт. и 500 мм для эпюры 2000 шт. на 1 км пути). С учетом кривых среднее количество шпал 1920 на километр. Таким образом емкость, вносимая резиновой прокладкой на 1 км пути,
Ср г = 7 • 8,854 • Ю-12 • 2-192°-°'°2175 Р- г- ' 0,01
0,518 мкФ.
Для количественной оценки емкости, вносимой двумя диэлектриками - пеноплэксом и геотекстилем, обратимся к формуле [4]:
(4)
где £0, £1 и £2 - постоянные диэлектрическои проницаемости соответственно вакуума, пеноплэкса и геотекстиля, Ф/м;
5 - площадь пластин конденсатора, м2;
<3.\, йг - толщина диэлектриков, м.
В указанной емкости диэлектриками являются пеноплэкс толщиной 0,06 м, диэлектрическая проницаемость 2,5 и геотекстилъ толщиной 0,004 м, диэлектрическая проницаемость 5,5. Площадь соприкосновения диэлектрика и пластин конденсатора выбирают по меньшей стороне, т. е. со стороны щебеночного балласта, минимальная ширина 3,6 м. Площадь 1 км рельсовой линии однопутного участка для средних размеров балластной призмы составляет 3600 м2. Таким образом, емкость, вносимая двумя диэлектриками -пеноплэксом и геотекстилем - на 1 км пути
Сп . = 8,854 • 10~12 • 2>5'5'3600
2,5-0,06+5,5-0,004
2,548 мкФ.
Тогда результирующую емкость 1 км бесстыкового пути можно определить по формуле:
Со = ^ТГ^ = 0,43 мкФ. (5)
Для расчета напряжения электрического влияния КС на рельсы нужно оценить емкость Cíe между КС и рельсами своего пути, а также C\R б между КС смежного пути и ближним рельсом своего пути, C\RR между КС смежного пути и дальним рельсом своего пути.
Контактная сеть как конденсатор состоит из двух частей: контактного провода и несущего троса, включенных параллельно, т. е. их нужно сложить. Если минимальная высота
39 ——ш ШЕСТИЯ Транссиба 5
= ш
контактного провода 5,75 м, а максимальная 6,8 м, то для расчета возьмем среднюю 6,3 м. Среднее расстояние от контактного провода до несущего троса 0,4 м. В качестве площади конденсатора выступает нижняя поверхность контактного провода МФ-85 (профиль на рисунке 3), где А = 12 мм, Н = 11 мм. Тогда площадь нижней поверхности 1 км контактного провода можно найти по формуле:
я--- 1000 = 3,14-6 - 10 2 '
-3
1000 = 18,85 м2,
(6)
где А - диаметр нижней части, м; 1000 - длина, м.
Рассчитаем по формуле (6) площади для других марок контактного провода: для МФ-100 -
А
для МФ-120
я ■ - • 1000 = ЗД4 • 7 • 10~3 • 1000 = 22,18 м2; 2 ' '
я • | • 1000 = ЗД4 • 8,5 • 10~3 • 1000 = 26,61 м2.
В качестве несущего троса используется М-120, площадь нижней поверхности на 1 км составляет 22 м2. Так как площадь поверхности рельса больше, то за площадь обкладки конденсатора принимаем площадь КС.
Расстояние от контактного провода до рельсов своего пути одинаковое и составляет 6,35 м, от несущего троса до рельсов своего пути - 6,74 м. При ширине междупутья 4,1 м расстояние от контактного провода до ближнего рельса соседнего пути составляет 7,13 м, до дальнего рельса - 7,96 м. Расстояние от несущего троса до ближнего рельса соседнего пути составляет 7,49 м, до дальнего рельса - 8,28 м. С учетом того, что диэлектриком в данных случаях выступает воздух с диэлектрической постоянной, равной 1,0006, рассчитав нужные нам емкости по формуле (3), занесем результаты в таблицу 1.
Таблица 1 - Результаты расчета емкостей
Рисунок 3 - Форма профиля контактного провода
Емкость Значение д ля контактного провода, мкФ
МФ-85 МФ-100 МФ-120
Между КС и рельсами своего пути Cic Между КС и ближним рельсом соседнего пути С]Дб Между КС и дальним рельсом соседнего пути CiHH 0,00011043 0,00004944 0,00004452 0,00011972 0,00005358 0,00004823 0,00013209 0,00005909 0,00005316
Подставив полученные значения в формулу (2), рассчитаем 11э и результат занесем в таблицу 2. Таблица 2 - Результаты расчета напряжения электрического влияния
Электрическое влияние Значение U3 для контактного провода, В
МФ-85 МФ-100 МФ-120
Межд>' КС и рельсами своего пути 7,06 7,65 8,45
Методу КС и ближним рельсом соседнего пути 6,32 6,85 7,56
Между КС и дальним рельсом соседнего пути 5,69 6,17 6,80
Результаты расчета показали, что наводимое напряжение от контактного провода на рельсы через емкостную связь не является опасным для обслуживающего персонала.
Наведенное напряжение электрического влияния зависит от типа контактного провода и от его натяжения. Разность напряжений, наводимых контактным проводом соседнего пути на ближний и дальний рельсы, составляет 0,63 В для контактного провода МФ-85, 0,68 В для контактного провода МФ-100 и 0,76 В для контактного провода МФ-120. Указанные значения наведенных напряжений не будут оказывать существенного влияния на работу рельсовых цепей автоблокировки, однако будут оказывать негативное воздействие на работу системы автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН). Если принять сопротивление поездного шунта равным нормативному 0,06 Ом, то ток от наведенного напряжения, возникающий под приемными катушками, будет соответственно равен при МФ-85 10,5 А, при МФ-100 11,3 А, а при МФ-120 12,7 А.
Электромагнитная обстановка предусматривает, что нормативный ток асимметрии, т. е. разность токов левого и правого рельсов, не должна превышать 4 %:
/Т1 + /-,
< 4 %,
:Т2
00
где Ка -коэффициент асимметрии тягового тока;
/т1 - ток в первом рельсе;
/т2 - ток во втором рельсе.
При максимальном токе в одном из рельсов 150 А нормативный ток асимметрии составит 11,54 А. Принимая во внимание, что реальное сопротивление поездного шунта (первой колесной пары) электровоза значительно меньше нормативного 0,06 Ом, установленная разница наведенных напряжений электрического влияния будет ухудшать установленные условия электромагнитной обстановки для системы АЛСН. Полученные результаты расчетов доказывают наличие новой причины сбоев кодов АЛСН, которая раньше была неизвестна, поскольку во всех учебниках по электромагнитной совместимости электрифицированных железных дорог указано на отсутствие электрического влияния на рельсы. Приведенные в статье положения могут быть использованы при разработке методов снижения количества сбоев в системе АЛСН.
Список литературы
1. Лунев, С. А. Исследование переходного сопротивления «рельс - земля» на бесстыковом пути / С. А. Лунев, С. С. Сероштанов, А. Г. Ходкевич. - Текст : непосредственный // Автоматика, связь, информатика. - 2008. - № 5. - С. 35-36.
2. Исследование влияния усиленного капитального ремонта пути на обратную тяговую сеть / С. А. Лунев, С. С. Сероштанов, А. Г. Ходкевич, В. В. Дремин. -Текст : непосредственный // Автоматика, связь, информатика. - 2020. - № 2. - С. 9-11.
3. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. - Новосибирск : Сибирское университетское изд-во, 2005. - 512 с. - Текст : непосредственный.
4. Котельников, А. В. Специфические особенности заземления в системах тягового электроснабжения железных дорог и метрополитенов / А. В. Котельников, А. Б. Косарев. -Текст : непосредственный // Первая российская конференция по заземляющим устройствам: сборник докладов / под ред. Ю. В. Целебровского / Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук. - Новосибирск, 2002. - С. 137-141.
5. Ходкевич, А. Г. Заземление средних точек дроссель-трансформаторов на участках бесстыкового пути / А. Г. Ходкевич, В. Я. Требин. - Текст : непосредственный // Ресурсосберегающие технологии в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги : материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2005.-С. 164-169.
6. Свод правил СП 238.1326000.2015 «Железнодорожный путь». -Москва: Министерство транспорта Российской Федерации, 2015.-71 с. - Текст : непосредственный.
References
1. Lunev S.A., Seroshtanov S.S., Khodkevich A.G. Investigation of the rail-to-ground transient resistance on a jointless track. Avtomatika, sviaz', inforrnatika - Automation, communications, informatics, 2008, no. 5, pp. 35-36 (In Russian).
2. Lunev S.A., Seroshtanov S.S., Khodkevich A.G., Dremin V.V. Investigation of the effect of enhanced track repairs on the reverse traction network. Avtomatika, sviaz', inforrnatika-Automation, communications, informatics, 2020, no. 2, pp. 9-11 (In Russian).
3. Pravila. ustroistva. elektroustanovok. 1-е izdanie [Rules for the installation of electrical installations. 7th edition]. Novosibirsk, Siberian University Publ., 2005,512 p. (In Russian).
4. Kotel'mkov A.V., Kosarev A.B. [Specific features of grounding in traction power supply systems of railways and subways]. Pervaia rossiiskaia konferentsiia po zazemliaiushchim ustroistvam: sbornik dokladov [The first Russian conference on grounding devices: a collection of reports], Novosibirsk, 2002, pp. 137-141 (In Russian).
5. Khodkevich A.G., Trebin V.Ya. [Grounding of the middle points of throttle transformers on sections of a jointless route], Resursosberegaiushchie tekhnologii v strukturnykh podrazdeleniiakh Zapadno-Sibirskoi zheleznoi dorogi: materialy nauchno-prakticheskoi konferentsii [Resource-saving technologies in the structural divisions of the West Siberian Railway: materials of the scientific and practical conference], Omsk, 2005, pp. 164-169 (In Russian).
6. Svod pravil SP 238.1326000.2015 «Zheleznodorozhnyi put'» [Code of rules of SP 238.1326000.2015 «Railway track»]. Moscow, Ministry of Transport of the Russian Federation Publ., 2015, 71 p. (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Ходкевич Антон Геннадьевич Khodkevich Anton Gennadyevich
Омский государственный университет путей Omsk State Transport University (OSTU). сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046. Российская 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian
Федерация. Federation.
Кандидат технических наук, доцент, заве- Ph. D. in Engineering, docent, head of the
дующий кафедрой «Автоматика и телемеханика», department «Railway Signalling and Interlocking»,
ОмГУПС. OSTU.
Ten.: +7 (3812) 31-56-47. Phone: +7 (3812) 31-56-47.
E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Ходкевич, А. Г. Изменение условий электро- Khodkevich A.G. Changing the conditions of
магнитной совместимости устройств железнодорож- electromagnetic compatibility of railway automation
ной автоматики и телемеханики с тяговой сетью devices with AC power supply on sections of a seamless
переменного тока на участках бесстыкового пути / track. Journal of Transsib Railway Studies, 2024,
А. Г. Ходкевич. - Текст : непосредственный // no. 2 (58), pp. 2-8 (In Russian). Известия Транссиба. - 2024. - № 2 (58). - С. 2 - 8.
