CC BY
22
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 621.316.99
Перспектива внедрения системы тягового электроснабжения переменного тока с опорами контактной сети, не заземленными на рельс
1 2 1 И. А. Кремлев , И. А. Терёхин , Р. Б. Скоков
1 Омский государственный университет путей сообщения, Российская Федерация, 644046, Омск, пр. Маркса, 35
2 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Кремлев И. А., Терёхин И. А., Скоков Р. Б. Перспектива внедрения системы тягового электроснабжения переменного тока с опорами контактной сети, не заземленными на рельс // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. - Вып. 4. - С. 57-66. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-4-57-66
Аннотация
Цель: Рассмотреть проблемы и пути их решения при внедрении системы тягового электроснабжения переменного тока с опорами контактной сети, не заземленными на рельс. Методы: При решении поставленных задач использовались положения и методы теории электроснабжения, планирования эксперимента, математического и системного анализов, теории электрических измерений. В экспериментальных исследованиях применялись регистратор аварийных процессов «Транс-АУРА» и электронный осциллограф Tektronix TDS 2014, для обработки результатов эксперимента - программные продукты Aura2000 и MS Excel 2010. Результаты: Представлены основные требования, предъявляемые к системе заземления тягового электроснабжения переменного тока. Выявлены недостатки традиционной системы заземления опор контактной сети на рельсовую сеть. Описаны два возможных направления, позволяющие исключить проблемные моменты при эксплуатации системы тягового электроснабжения переменного тока. Первое направление требует введения в комплекс защиты тяговой сети дополнительной ступени, позволяющей идентифицировать замыкания через существенное переходное сопротивление. Второе приводит к необходимости пересмотра самого комплекса релейной защиты, заключающегося в изменении подхода к заземлению конструкций контактной сети, методике расчета уставок релейной защиты, более детального анализа условий электробезопасности и т. п. Разработана формула для определения сопротивления перехода «группа опор-земля» с учетом троса группового заземления и существующих требований к обеспечению чувствительности основных защит, позволяющая обеспечивать надежную работу релейных защит фидеров. Приведены результаты экспериментальных испытаний условий электробезопасности и электромагнитного влияния. Выявлены задачи, без решения которых широкое внедре-
ние системы с опорами без заземления на рельсовую сеть невозможно. Практическая значимость: Разработанная методика выбора уставок защиты даст возможность эксплуатировать контактную сеть переменного тока без заземления опор на рельсы, а также внедрить предложенные дополнения в инструкцию по заземлению устройств тягового электроснабжения в ОАО «РЖД».
Ключевые слова: Система тягового электроснабжения переменного тока, заземление, опора без заземления на рельсовую сеть, релейная защита, электробезопасность, электромагнитное влияние.
Преднамеренное заземление устройств тягового электроснабжения переменного тока на рельсовую сеть (далее - традиционная система заземления) сопряжено с рядом негативных факторов, которые и ранее, и в настоящее время не позволяют дать ему однозначную положительную оценку. К таким факторам в первую очередь необходимо отнести возможные сбои автоблокировки за счет влияния со стороны устройств заземления на работу рельсовых цепей, во вторую - отказы релейной защиты фидеров контактной сети при различных нарушениях цепи заземления.
Известны несколько направлений решения проблемы, основными из которых являются реализация защиты от замыкания на опоры, случайным образом оказавшиеся без заземления на рельсовую сеть, и кардинальное решение, заключающееся в полном отказе от традиционного заземления опор на рельсы [1].
Первое требует введения в комплекс защиты тяговой сети дополнительной ступени, позволяющей идентифицировать замыкания через существенное переходное сопротивление.
Второе приводит к необходимости пересмотра самого комплекса релейной защиты, заключающегося в изменении подхода к заземлению конструкций контактной сети, в методике расчета уставок релейной защиты, более детального рассмотрения условий электробезопасности и т. п.
Применяемые в настоящее время многоступенчатые защиты фидеров контактной сети переменного тока обеспечивают достаточную селективность и чувствительность при токах короткого замыкания, величина которых, благодаря наличию заземления на рельс, значительно отличается от токов линии в нормальном рабочем режиме. При замыканиях, сопровождающихся токами, соизмеримыми с токами нагрузки, данные устройства защиты часто не срабатывают. Это вызывает длительное протекание аварийного тока по элементам тяговой сети, что недопустимо. Например, замыкание контактной сети на опору, случайным образом оказавшуюся без заземления на рельс, приводит к таким последствиям как разрушение бетона, выгорание арматуры и в результате к потере опорой несущей способности. Сейчас известны различные принципы исполнения защит, кото-
рые позволяют определять такие режимы. Одним из наиболее приемлемых является введение в эксплуатируемую дистанционную защиту дополнительной ступени с характеристикой срабатывания, продленной вдоль оси активных сопротивлений, основные принципы построения которой были предложены еще в 1980-х годах учеными из Дальневосточного государственного университета путей сообщения (ДвГУПС). Дальнейшее развитие принципы защиты от замыканий через переходное сопротивление получили в начале 2000-х годов в Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПС), что позволило реализовать дополнительную ступень дистанционной защиты ДЗ4 на базе серийно производимых блоков цифровой защиты фидеров ЦЗАФ-27,5 кВ [2]. Отличительные особенности такой ступени - возможность независимой регулировки координат области срабатывания, а также наличие дополнительных признаков, позволяющих отстраивать защиту от режимов нагрузки (рис. 1).
Рис. 1. Защита, обеспечивающая эксплуатацию тяговой сети переменного тока без заземления опор на рельсы: ДТ - датчик тока; ДН - датчик напряжения; ДЭ - дистанционный элемент, с четырехугольной угловой характеристикой срабатывания, продленной вдоль оси активных сопротивлений; БТ - блок торможения; ТО - токовая отсечка; ДЗ - дистанционная защита
В период с 2008 по 2012 г. на участке Западно-Сибирской железной дороги (ЗСЖД) были проведены экспериментальные исследования, подтвердившие работоспособность принципов, предложенных в ОмГУПС, и способность идентифицировать режимы замыканий через большое переходное сопротивление [3]. Вместе с тем опыт внедрения на сети дорог блоков цифровой защиты фидеров контактной сети (ЦЗАФ) с данной защитой
показал, что на участках, где обращается подвижной состав нового поколения (в частности, Северо-Кавказская железная дорога), возросла вероятность частых ложных отключений от действия данной дополнительной ступени защиты, что в ряде случаев потребовало выведения ее из работы. Таким образом, проблема в полной мере не была решена.
В то же время анализ многочисленных исследований, проведенных специалистами из ВНИИЖТ, ДвГУПС, ОмГУПС и Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС) показал, что существуют пути комплексного решения проблемы заземления на участках переменного тока. К наиболее интересному относится отказ от преднамеренного заземления конструкций тяговой сети на рельсы. Очевидно, такое решение позволит полностью исключить влияние устройств заземления на рельсовые цепи в различных нестационарных режимах и тем самым снизить вероятность простоя подвижного состава, повреждения дорогостоящего оборудования устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) и улучшить условия электробезопасности на участках переменного тока.
Исследования, базирующиеся на ранних достижениях ОмГУПС, ПГУПС, ДВГУПС и ВНИИЖТ, показали, что при обеспечении определенных условий можно повысить чувствительность эксплуатируемых ДЗ (в частности, второй ступени ДЗ-2, являющейся основной) при преднамеренном использовании опор контактной сети без заземления на рельсовую сеть и добиться их устойчивого функционирования при соблюдении требований к электробезопасности. При этом предъявляются особые требования к сопротивлению растеканию опор контактной сети, так как значение контролируемого тока, а следовательно, и входного сопротивления фидера, помимо сопротивления элементов тяговой сети, в наибольшей степени определяется переходным сопротивлением в месте повреждения. Его значение в общем случае зависит от множества случайных факторов. Поэтому на стадии подготовки участков тяговой сети для эксплуатации без заземления опор на рельсы целесообразно проведение ряда мероприятий, для того чтобы их учесть. В частности, было установлено, что если при использовании опор в качестве заземлителя осуществить преднамеренное соединение закладных деталей с арматурой (или внутренним спуском заземления), то сопротивление опоры будет существенно снижено. А объединение таких опор тросом группового заземления позволит добиться понижения сопротивления растеканию до значений, при которых будет обеспечиваться надежная работа защит фидеров.
Исходя из существующих требований к обеспечению чувствительнос-
л*
ти основных защит, сопротивление перехода «группа опор-земля» Rn с учетом троса группового заземления не должно превышать значения, определяемого выражением, Ом:
н.тт _ _ у
* kkk п тпАП
п
1 + 7пА + 2 тп1 АП 7 пВ + 2 тП ПВ
где 7нтп - минимальное сопротивление нагрузки, Ом; 1гА, 7пВ - сопротивления подстанций А и В соответственно, Ом; 2тп - удельное (погонное) сопротивление тяговой сети, Ом/км; 1АП, 1ПВ - расстояния соответственно между подстанцией А и постом секционирования, постом секционирования и подстанцией В; £в - коэффициент возврата, принимаемый равным 1,1-1,15; к3 - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,1-1,3; кч - коэффициент чувствительности, принимаемый для второй ступени трехступенчатой защиты равным 1,25; п - количество путей.
Удалось разработать и внедрить методику выбора уставок защиты, обеспечивающей эксплуатацию контактной сети переменного тока без заземления опор на рельсы, а также дополнения в инструкцию по заземлению устройств тягового электроснабжения.
Это позволило совместно с Дорожной электротехнической лабораторией ЗСЖД при поддержке руководства ОАО «РЖД» в 2012 г. ввести в опытную работу участок Карасук-Зубково с опорами контактной сети, эксплуатируемыми без заземления на рельс. За 5 лет эксплуатации на данном участке не выявлено ни одного случая отказа устройств СЦБ и автоблокировки по вине хозяйства электроснабжения. Защита фидеров работала в штатном режиме и отказов ее также не наблюдалось.
Кроме того, в 2015 г. была проведена серия экспериментальных исследований условий электробезопасности и электромагнитного влияния на указанном опытном участке (рис. 2) [4, 5]. Их результаты не только подтвердили безопасность эксплуатации опор, используемых в качестве за-землителей, но и показали, что данная система является более предпочтительной по сравнению с традиционной системой заземления на рельс. Так, напряжение прикосновения к опоре без заземления на рельсовую сеть, находящейся в группе, в режиме короткого замыкания не превысило 320 В, в то время как при замыкании на рельс напряжение прикосновения составило более 650 В, что не соответствует действующим нормативным документам. В части гальванического и магнитного влияния на линии связи обе системы удовлетворяют условиям электромагнитной совместимости. Таким образом, полученные результаты позволяют утверждать, что система тягового электроснабжения переменного тока может эксплуатироваться с опорами без заземления на рельсовую сеть, обеспечивая лучшие показатели по электробезопасности и электромагнитному влиянию.
Рис. 2. Проведение экспериментальных исследований условий электробезопасности и электромагнитного влияния
Вместе с тем все еще остаются не рассмотренными задачи, без решения которых широкое внедрение системы с опорами, используемыми в качестве заземлителей, невозможно. В частности, к ним можно отнести следующие:
- внесение изменений и корректировок в действующие руководящие указания по расчету уставок релейных защит, в том числе и для участков с обращением подвижного состава нового поколения;
- внесение изменений и дополнений в техническую документацию на универсальные фундаменты опор, позволяющие эксплуатировать их без заземления на рельс [6];
- разработка методики подготовки участков тяговой сети переменного тока к эксплуатации с опорами контактной сети, не заземляемыми на рельсы, и инструкции по эксплуатации этих участков.
Решение поставленных задач невозможно без дополнительного изучения термической стойкости арматуры фундаментов опор контактной сети к токам короткого замыкания, определения требований к конструктивному исполнению фундаментов опор и искусственных заземлителей, а также более углубленных теоретических и экспериментальных исследований влияния токов замыкания на опоры, не заземленные на рельсы, на магистральные кабели связи и устройства СЦБ [7-10].
В связи с этим выполненные работы требуют логического продолжения и завершения.
Библиографический список
1. Дынькин Б. Е. Особенности защиты тяговой сети при нетиповых условиях электроснабжения / Б. Е. Дынькин // Вестн. Всерос. науч.-исслед. ин-та железнодорожного транспорта. - 2001. - № 1.- С. 22.
2. Кремлев И. А. Устройство, обеспечивающее эксплуатацию контактной сети переменного тока без заземления опор на рельсы / И. А. Кремлев, Р. Б. Скоков. - Патент № 113431 на полезную модель (РФ), МПК Н02Н 3/00. - Приоритет 01.09.2011 г. -Зарегистр. в Гос. реестре полезных моделей РФ 10.02.2012 г. - Бюл. № 4.
3. Кващук В. А. Новая защита контактной сети: опыт Западно-Сибирской дороги /
B. А. Кващук, В. Ф. Степанов, И. А. Кремлев // Локомотив. - М.: Российские железные дороги, 2010. - № 11. - С. 44-45.
4. Кващук В. А. Методика проведения экспериментальных испытаний условий электробезопасности на участке тяговой сети переменного тока, эксплуатируемом без заземления опор контактной сети на рельс / В. А. Кващук, Ю. В. Кондратьев, И. А. Тере-хин, И. А. Кремлев // Вестн. Иркутск. гос. технич. ун-та. - 2016. - № 2 (109). - С. 68-73.
5. Кондратьев Ю. В. Экспериментальная оценка возможности использования опор контактной сети для прохождения токов короткого замыкания / Ю. В. Кондратьев, И. А. Кремлев, И. А. Терехин // Технические науки - от теории к практике: сб. статей по материалам LXXI Междунар. науч.-практич. конференции. - Новосибирск: НП «СибАК», 2017. - № 6 (66). - С. 24-27.
6. Кондратьев Ю. В. Железобетонный фундамент металлических опор контактной сети, эксплуатируемых без заземления на рельс / Ю. В. Кондратьев, Р. Б. Скоков, И. В. Тарабин, И. А. Терехин, И. А. Кремлев. - Патент № 165427 на полезную модель (РФ), МПК В60М 7/00. - Приоритет 29.01.2016 г. - Зарегистр. в Гос. реестре полезных моделей РФ 28.10.2016 г. - Бюл. № 29.
7. Терехин И. А. Совершенствование методики определения опасного напряжения в смежных линиях связи при магнитном влиянии тяговой сети переменного тока / И. А. Терехин, И. А. Кремлев, И. В. Тарабин, Е. Г. Абишов // Транспортные системы и технологии. - 2020. - Т. 6. - № 1. - С. 92-103.
8. Скоков Р. Б. Оценка условий электробезопасности заземления на рельс устройств тяговой сети в условиях применения изолирующих материалов при капитальном ремонте железнодорожного полотна / Р. Б. Скоков, И. А. Кремлев, И. В. Тарабин, И. А. Терехин // Изв. Транссиба. - 2015. - № 2 (22). - С. 96-101.
9. Терехин И. А. Модельное представление сухого бетона железобетонного фундамента контактной сети, как электрического проводника / И. А. Терехин, И. А. Крем-лев, Ю. В. Кондратьев, А. А. Кузнецов, Р. Б. Скоков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2015. - № 3. - С. 88-92.
10. Терехин И. А. Влияние влажности и температуры на электрические свойства железобетонных конструкций контактной сети / И. А. Терехин, А. С. Мазнев, А. В. Третьяков, И. А. Иванов, И. А. Кремлев // Электротехника. - 2020. - № 10. -
C. 23-26.
Дата поступления: 22.10.2020 Решение о публикации: 28.10.2020
Контактная информация:
КРЕМЛЕВ Иван Александрович - канд. техн. наук, доцент; [email protected] ТЕРЁХИН Илья Александрович - канд. техн. наук; [email protected] СКОКОВ Руслан Борисович - канд. техн. наук, доцент; [email protected]
Potential for the introduction of an alternating current traction power supply system with catenary supports without rail grounding
I. A. Kremlev1, I. A. Teryokhin2, R. B. Skokov1
1 Omsk State Transport University, 35, pr. Marksa, Omsk, 644046, Russian Federation
2 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Kremlev I. A., Teryokhin I. A., Skokov R. B. Potential for the introduction of an alternating current traction power supply system with catenary supports without rail grounding. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 4, pp. 57-66. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-4-57-66
Summary
Objective: To study the problems and possible solutions in the introduction of an alternating current traction power supply system with catenary supports without rail grounding. Methods: To solve the set tasks, we used the statements and methods of the theory of power supply, experimental planning, mathematical and system analysis, and the theory of electrical measurements. In the experimental studies, the Trans-AURA Emergency Process Recorder and the Tektronix TDS 2014 Digital Oscilloscope were used, and the Aura2000 and MS Excel 2010 software products were used to process the experiment results. Results: The basic requirements for the AC traction power supply system grounding are presented. The flaws of the traditional grounding system of the catenary supports on the rail network are revealed. Two possible directions are described, which allow eliminating issues during the operation of the AC traction power supply system. The first direction requires the introduction of an additional stage into the traction network protection system, which makes it possible to identify short circuits through a high rail-to-earth resistance. The second suggests the need to revise the relay protection system itself, which includes changing the approach to grounding the catenary structures, the methodology for calculating the relay protection settings, a more detailed analysis of electrical safety conditions, etc. An equation has been formulated to determine support-group-to-earth resistance taking into account the group grounding cable and the existing requirements for ensuring the sensitivity of the main protection means, which allows ensuring reliable operation of feeders' relay protection. The results of experimental tests of electrical safety conditions and electromagnetic influence are presented. The tasks are identified being the essential prerequisite to the widespread introduction of a system with supports without rail network grounding. Practical importance: The developed methodology for selecting the protection settings will make it possible to
operate the AC catenary system without the supports' rail grounding, as well as introduce the proposed additions to the instructions for grounding traction power supply devices at "Russian Railways".
Keywords: AC traction power supply system, grounding, support without rail network grounding, relay protection, electrical safety, electromagnetic influence.
References
1. Dyn'kin B.E. Osobennosti zashchity tyagovoy seti pri netipovykh usloviyakh elektro-snabzheniya [Specific features of traction network protection under non-typical power supply conditions]. Vestnik Nauchno-issledovatel'skogo instituta zheleznodorozhnogo transporta [VVNIIZhTScientific Journal], 2001, no. 1, p. 22. (In Russian)
2. Kremlev I. A. & Skokov R. B. Ustroystvo, obespechivauschee expluatatsiyu kon-taktnoy seti peremennogo toka bez zazemleniya opor na rel'sy [Device ensuring the AC catenary system operation without rail grounding of supports]. Patent for utility model no. 113431 (RF), IPC H02H 3/00. Priority date: September 01, 2011. Registered with the RF State Registry of Utility Models as of February 10, 2012. Bul. no. 4. (In Russian)
3. Kvashchuk V. A., Stepanov V. F. & Kremlev I. A. Novaya zashchita kontaktnoy seti: opyt Zapadno-Sibirskoy dorogi [Innovative protection of the catenary system: the experience of the West Siberian Railway]. Lokomotiv [Locomotive]. Moscow, Russian Railways Publ., 2010, no. 11, pp. 44-45. (In Russian)
4. Kvashchuk V. A., Kondrat'yev Yu. V., Teryokhin I. A. & Kremlev I. A. Metodika provedeniya eksperimental'nykh ispytaniy usloviy elektrobezopasnosti na uchastke tyagovoy seti peremennogo toka, ekspluatiruyemom bez zazemleniya opor kontaktnoy seti na rel's [Methodology for conducting experimental tests of electrical safety conditions on a section of an alternating current traction network operated without the catenary supports' rail grounding]. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of Irkutsk State Technical University], 2016, no. 2 (109), pp. 68-73. (In Russian)
5. Kondrat'yev Yu. V., Kremlev I. A. & Teryokhin I. A. Eksperimental'naya otsenka vozmozhnosti ispol'zovaniya opor kontaktnoy seti dlya prokhozhdeniya tokov korotkogo zamykaniya [Experimental assessment of the possibility of using the catenary supports for the passage of short circuit currents]. Tekhnicheskiye nauki - ot teorii k praktike. Sb. statey po materialam LXXI Mezhdunar. nauch.-praktich. konferentsii [Technical sciences - from theory to practice. Collection of papers based on the proceedings of the LXXI International Scientific and Practical Conference]. Novosibirsk, SibAK Scientific Publ., 2017, no. 6(66), pp. 24-27. (In Russian)
6. Kondrat'yev Yu. V., Skokov R. B., Tarabin I. V., Teryokhin I. A. & Kremlev I. A. Zhelezobetonnyy fundament metallicheskikh opor kontaktnoy seti, ekspluatiruyemykh bez za-zemleniya na rel's [Reinforced concrete foundation of catenary metal supports operated without rail grounding]. Patent for utility model no. 165427 (RF), IPC B60M 7/00, Priority date: January 29, 2016. Registered with the RF State Registry of Utility Models as of October 28, 2016. Bul. no. 29. (In Russian)
7. Teryokhin I. A., Kremlev I. A., Tarabin I. V. & Abishov E. G. Sovershenstvovaniye metodiki opredeleniya opasnogo napryazheniya v smezhnykh liniyakh svyazi pri magnitnom vliyanii tyagovoy seti peremennogo toka [Improving the methodology for determining the hazardous voltage in adjacent communication lines under the magnetic influence of the alter-
nating current traction network]. Transportnye sistemy i tehnologii [Transportation Systems and Technology], 2020, vol. 6, no. 1, pp. 92-103. (In Russian)
8. Skokov R. B., Kremlev I. A., Tarabin I. V. & Teryokhin I. A. Otsenka usloviy elek-trobezopasnosti zazemleniya na rel's ustroystv tyagovoy seti v usloviyakh primeneniya izoli-ruyushchikh materialov pri kapital'nom remonte zheleznodorozhnogo polotna [Assessment of the electrical safety conditions for rail grounding of traction network devices with the use of insulating materials during the railway track overhaul]. Izvestiya Transsiba [Journal of Trans-sib Railway Studies], 2015, no. 2 (22), pp. 96-101. (In Russian)
9. Teryokhin I. A., Kremlev I. A., Kondrat'yev Yu. V., Kuznetsov A. A. & Skokov R. B. Model'noye predstavleniye sukhogo betona zhelezobetonnogo fundamenta kontaktnoy seti, kak elektricheskogo provodnika [Model representation of dry concrete of a catenary system reinforced concrete foundation as an electrical conductor]. Nauchnyye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka [Scientific Problems of Transport of Siberia and the Far East], 2015, no. 3, pp. 88-92. (In Russian)
10. Teryokhin I. A., Maznev A. S., Tret'yakov A. V., Ivanov I. A. & Kremlev I. A. Vliyaniye vlazhnosti i temperatury na elektricheskiye svoystva zhelezobetonnykh kon-struktsiy kontaktnoy seti [Influence of humidity and temperature on the electrical properties of the catenary system reinforced concrete structures]. Elektrotekhnika [Electrical Engineering], 2020, no. 10, pp. 23-26. (In Russian)
Received: October 22, 2020 Accepted: October 28, 2020
Author's information:
Ivan A. KREMLEV - PhD in Engineering, Associate Professor; [email protected]
Ilya A. TERYOKHIN - PhD in Engineering; [email protected]
Ruslan B. SKOKOV - PhD in Engineering, Associate Professor; [email protected]
