CC BY
21
Сведения об авторах
Аксенович Татьяна Валерьевна,
студент кафедра физики, биологии и инженерных технологий филиала Мурманского
арктического государственного университета в г.Апатиты,
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А
Эл. почта: aksenovich.tanya@gmail.com
Бурцев Антон Владимирович,
Младший научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.
Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: a.burtsev@tehnonord.ru
Селиванов Василий Николаевич,
заместитель директора Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к.т.н.
Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: selivanov@ien.kolasc.net.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.16.3.63-70 УДК 621.311
О. В. Залесова, А. В. Богданова
ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЛИЯНИЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 25 кВ НА ВЛ КЛАССА НАПРЯЖЕНИЯ 110-150 кВ В ЗОНЕ ВЫСОКООМНЫХ ГРУНТОВ
Аннотация
Предложен расчетный комплекс для оценки уровня наведённого напряжения на проводах отключённой воздушной линии электропередачи, вызванных электромагнитным влиянием контактной сети железной дороги переменного тока. Представлены результаты расчётов наведённого напряжения на воздушных линиях электропередачи класса напряжения 110-150 кВ при влиянии одно- и двухпутного участков железной дороги. Ключевые слова:
электромагнитное влияние, электрифицированная железная дорога переменного тока, воздушная линия электропередачи.
O. V. Zalesova, A. V. Bogdanova
ESTIMATION OF ELECTROMAGNETIC INFLUENCE OF THE 25 kV AC TRACTION NETWORK ON OVERHEAD POWER LINES IN THE AREA OF HIGH-RESISTANCE SOIL
Abstract
The program complex for an estimation of the inducted voltage level on de-energized power lines exposed to electromagnetic fields influence of the overhead contact system has been propounded. Calculations results of the induced voltage on 110-150 kV overhead power lines caused by the influence of single- and double-track railway lines have been presented. Keywords:
overhead power line, AC electric railway, electromagnetic influence.
Система переменного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ имеет неоспоримые преимущества по сравнению с системой постоянного тока. Это подтверждает многолетний опыт эксплуатации железных дорог как в России, так и во всем мире [1].
Тяговая сеть железной дороги переменного тока является полностью несимметричной системой. Ток поступает к электровозу по контактной сети и возвращается на тяговые подстанции по рельсам и через землю. Тем самым оказывая значительное электромагнитное влияние на расположенные вблизи железнодорожного полотна линии связи и проводного вещания, цепи сигнализации, централизации и автоблокировки, а также более удаленные проводники, такие как воздушные линии электропередачи (ВЛ) высокого напряжения и трубопроводы.
Величина наведенного напряжения на проводнике, помимо геометрических характеристик, сильно зависит от удельного сопротивления грунта. Чем выше данный параметр, тем больше величина обратного тока в рельсах.
В настоящей работе выполнены расчетные исследования, позволяющие оценить величину наведенного напряжения на воздушных линиях электропередачи в рамках энергосистемы Мурманской области, характерной особенностью которых является местоположение в районах с низкой проводимостью грунта.
Физические и геометрические характеристики ВЛ и тяговых сетей.
В рамках данного исследования были рассмотрены двадцать два случая возможного электромагнитного влияния тяговой сети одно- и двухпутной Октябрьской железной дороги переменного тока на смежные воздушные линии электропередачи класса напряжения 110-150 кВ. Геометрические характеристики сближения рассматриваемых объектов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Геометрические параметры участков сближения ВЛ и тяговой сети
№ ВЛ Класс напряжения Марка провода Сближение, км
длина ширина
1 2 3 4 5
Сближение с однопутным участком железной до роги
1 110 АС-150 3.6 16.1
2 110 АС-185 1.0 13.0
3 110 АС-185 0.5 14.4
4 110 АС-185 3.0 18.5
5 110 АС-185 0.6 19.5
6 110 АС-185 1.5 19.7
7 150 АС-185 3.8 34.7
8 150 АС-185 3.0 48.6
Окончание таблицы 1
1 2 3 4 5
Сближение с двухпутным участком железной до роги
1 110 АС-185 2.0 18.2
2 110 АС-185 3.0 19.5
3 110 АС-185 3.0 16.9
4 110 АС-10 1.5 11.7
5 110 АС-120 1.5 11.4
6 110 АС120 2.0 34.8
7 110 АС120 2.7 16.6
8 110 АС-150 1.0 16.2
9 110 АС-185 2.0 7.9
10 110 АС-240 1.0 31.5
11 110 АС-150 1.0 16.4
12 110 АС-150 0.5 31.5
13 150 АС-185 1.0 29.5
14 150 АС-185 2.6 39.7
Параметры проводов контактной сети и рельсов приведены в таблице 2. В расчетах высоты подвеса контактного провода и несущего троса были приняты равными 5,5 м и 6,5 м соответственно. Все влияющие участки железной дороги с двухсторонним питанием, в случае двухпутных участков принималась узловая схема питания контактной сети.
Таблица 2
Параметры тяговой сети
Параметры Характеристики
Контактный провод Несущий трос Рельс
Сопротивление постоянному току, Ом/км 0.176 0.156 0.13
Радиус, мм 6.4 7.0 51.0
Марка провода 2МФ-100 М-120 Р-65
Программа расчета наеденного напряжения на ВЛ. В настоящей работе в качестве инструмента исследования используется программа расчета наведенного напряжения на проводах отключенной ВЛ, подверженной влиянию тяговой сети железной дороги, разработанная в ЦЭС КНЦ РАН [2, 3].
В основе программы лежит следующий подход. В алгоритме расчета была принята система координат, в которой задаются геометрические параметры ремонтируемой линии и влияющей тяговой сети относительно последней (рис. 1). Точкой отчета является ось тяговой сети. Для удобства расчета два рельса задаются одним эквивалентным.
Рис. 1. Схема сближения ВЛ и контактной сети в поперечном разрезе
Магнитное влияние обусловлено наведением э.д.с. в замкнутых контурах при пересечении их переменным магнитным полем, которое создает ток, протекающий в проводах тяговой сети. В программе определение э.д.с. взаимоиндукции на единицу длины провода ВЛ, подверженной влиянию, проводятся по формуле [4]:
Е = 7 ■ 1 ■ к
7 Ш 1 к кзд ,
где к — влияющий провод; 7 — провод отключенной линии; 1к — ток во
влияющем проводе; кзд — коэффициент защитного действия рельса; ХКс — продольное взаимное сопротивление между проводами к и 7, которое определяется выражением:
7к1 =
№ Г2»
2ж Ь л+1л2 + ^ 2ж й*
где <^кг — кратчайшее расстояние между проводами к и 7; Оь — расстояние между 7-м проводом и отражением к-го провода относительно поверхности земли. Для их определения применяются следующие формулы:
»ыЧК2 + (к + к)2 ;
где Ьш — расстояние по горизонтали между проводами к и ¡, Нц — высота провода над землей. Средне статистическая величина удельного сопротивления грунта рз в условиях Мурманской области составила 1000 Ом-м. Коэффициент защитного действия рельсов кзд принимался равным для одно- и двухпутного участков железной дороги 0.55 и 0.45 соответственно [5].
Электрическое влияние вызвано наличием электрического поля в пространстве, окружающем контактную сеть напряжением 27.5 кВ. Наведённые потенциалы на ремонтируемой линии создаются полем зарядов на проводах влияющей контактной сети
иг =^ak,qk,
к=1
где дш — заряд на Ш-м проводе [28].
Собственный и взаимный потенциальные коэффициенты между проводами определяются по формулам:
1 , 2Лк 1 , 2Ви
- - 1п—- и а =-1п- к
ki
2жг0 гк 2ns0 du
где hk — средняя высота подвеса к-го провода (м); Гк — радиус к-го провода (м).
В связи с тем, что на железной дороге применяется относительно низкое питающее напряжение (27.5 кВ) и взаимная емкость быстро уменьшается с увеличением ширины сближения, электрическое влияние значительно меньше магнитного.
В программе для проводимого исследования были созданы файлы исходных данных для всех линий электропередачи, содержащие информацию о физических и геометрических параметрах линий и влияющих тяговых сетей.
Участки сближения трас ВЛ и железнодорожных путей приводились к параллельному сближению следующим образом. В случаях косого сближения трасса линии разбивалась на отдельные участки и косое сближение заменялось параллельным в соответствии с рекомендациями [4, 6]:
1. при ^ <3, то bki=J b ■ b ;
г ? ki д/ min max '
b
min
b , b + 2b
2. при 3< <5, то b
b k 3
mm
3. при max >5, то трассы сближения разбиваются на несколько влияющих b
mm
участков,
где bmax, bmn — максимальное и минимальное расстояния между проводами тяговой сети (контактный провод, питающий провод и рельсы) и ВЛ соответственно.
Результаты расчетов и их анализ. Расчеты наведенного напряжения на отключенных линиях проводились
с учетом наихудшего варианта, с точки зрения наведенного напряжения, в месте на ВЛ, соответствующему середине участка сближения исследуемых объектов [7];
- для различных схем заземления линии по концам и в месте измерения наведенного напряжения (условном месте ремонта);
- при заземлении в месте ремонта на опору сопротивление заземления принималось равным 30 Ом;
- нагрузка по среднестатистическим данным для однопутного участка составляла 600 А, а для двухпутного участка — 1000 А.
Результаты расчетов значений наведенного напряжения на ВЛ, подверженных влиянию одно- и двухпутных участков железной дороги, представлены гистограммами на рисунках 2 и 3. Из которых можно видеть, что на всех линиях, заземленных по концам, в том числе и при дополнительном заземлении линии в месте ремонта на опору, значения наведенного напряжения превысили допустимые 25 В. Особенно это заметно на линиях, имеющих наиболее длинные участки сближения с железной дорогой.
LJ> В 180 160 140 120 100
1 2 3 4 5 6 7 8
№ ВЛ
■ ВЛ полностью изолирована В Л заземлена по концам:
■ без сопротивления в месте ремонта
■ сопротивление в месте ремонта 30 Ом
Рис. 2. Наведенные напряжения на ВЛ, расположенных вдоль однопутных
участков железной дороги
Наилучшим способом снижения наведенного напряжения на отключенной линии будет заземление ВЛ только в месте ремонта на опору (либо на двух соседних опорах) и разземлении линии по концам. Результаты расчетов, выполненных по такой схеме, показали, что уровень наведенного напряжения на всех исследуемых линиях не превысил 2 В.
Последний вариант защиты можно рекомендовать для районов с низкопроводящими грунтами, поскольку сопротивление заземления в месте ремонта на ВЛ перестанет являться критичным параметром и может значительно превышать величину — 30 Ом, как того требуют правила по охране труда при эксплуатации электроустановок [8].
Рис. 3. Наведенные напряжения на ВЛ, расположенных вдоль двухпутных
участков железной дороги
Выводы
Предварительное измерение наведенного напряжения во время проведения ремонтных работ на ВЛ, проходящей вдоль тяговой сети железной дороги переменного тока, практически невыполнимо при максимальном рабочем токе в контактной сети. Поскольку нагрузка каждой тяговой подстанции изменяется в зависимости от того сколько электроподвижных составов работает на участке, их местоположения относительно подстанций, потребляемых ими токов, наличия в тяговой сети уравнительных токов и прочих условий. Поэтому в целях безопасности ремонтного персонала во время работ на линии следует учитывать результаты расчетных исследований на ВЛ.
Каждый случай электромагнитного влияния тяговой сети на ВЛ в настоящем исследовании является индивидуальным. Совместно с созданными файлами данных линий и участков железных дорог, разработанная программа представляет расчетных комплекс, который существенно облегчает процесс оценки электромагнитного влияния тяговой сети переменного тока на отключенные ВЛ.
Литература
1. Электроснабжение железных дорог: учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1 / И. В. Игнатенко. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2013. 113 с.
2. Залесова О. В., Якубович М. В. Моделирование влияния железной дороги на линии электропередачи с учётом гармоник тяговой сети // Труды Кольского научного центра РАН. 2010. № 1 (1). С. 102-109.
3. Дроздова О. В., Якубович М. В. Исследование влияния системы тягового электроснабжения переменного тока на отключенные линии электропередачи // Вестник МГТУ. 2010. Т. 13, № 4/2. С. 918-922.
4. Костенко М. В. Влияние электрических сетей высокого напряжения на техно-и биосферу. Учебное пособие. Л., изд. ЛПИ, 1984. 56 с.
5. Залесова О. В., Якубович М. В. Исследование защитного действия рельсов на однопутном участке железной дороги в зоне высокоомных грунтов // Труды Кольского научного центра РАН. 2014. № 3 (22). С. 62-67.
6. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1 / Под ред. К. Г. Марквардта. М.: Транспорт, 1980. 256 с.
7. Залесова О. В., Якубович М. В. Наведенные напряжения на отключенных воздушных линиях электропередачи, вызванные воздействием тяговой сети железной дороги переменного тока // Труды Кольского научного центра РАН. 2014. № 7 (26). С 50-61.
8. Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок (приложение к приказу Министерства труда и социальной защиты РФ от 24 июля 2013 г. N 328н), http://zametkielectrika.ru/novye-pravila-po-oxrane-truda-pri-ekspluatacii-elektroustanovok/.
Сведения об авторах Залесова Ольга Валерьевна,
научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: Drozdova_nord@mail.ru
Богданова Анна Викторовна,
студент кафедра физики, биологии и инженерных технологий филиала Мурманского арктического государственного университета в г.Апатиты, Россия, 184209, Мурманская обл., г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А Эл. почта: azarika-vik@yandex.ru
Б01: 10.25702/К8С.2307-5252.2018.16.3.70-75 УДК 621.315.1
Е. М. Шишков, А. В. Проничев, Е. О. Солдусова
АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ САМОКОМПЕНСИРОВАННЫХ РАЗОМКНУТЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Аннотация
Для целей организации продольной компенсации в предыдущих работах авторов предложен способ использования собственной распределенной ёмкости — построение
