CC BY
166
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
УДК 621.311
О. В. Залесова, В. В. Колобов, Б. В. Ефимов
РАСЧЕТ НАВЕДЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, ВЫЗВАННОГО ВЛИЯНИЕМ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ, НА ОТКЛЮЧЕННЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ ATP-EMTP
Аннотация
Данная статья посвящена расчётному исследованию наведённого напряжения, вызванного электромагнитным влиянием контактной сети железной дороги, на проводах отключённых линий электропередачи переменного тока с помощью программы ATP-EMTP.
Ключевые слова:
наведённое напряжение, линия электропередачи, электрифицированная железная дорога, программа ATP-EMTP.
O. V. Zalesova, V. V. Kolobov, B. V. Efimov
CALCULATION OF INDUCED VOLTAGE IN DISCONNECTED TRANSMISSION
LINES CAUSED BY ELECTROMAGNETIC INFLUENCE
OF RAILWAY OVERHEAD CONTACT SYSTEM USING PROGRAM ATP-EMTP
Abstract
This article is devoted to calculating research of induced voltage, caused by electromagnetic interference of overhead contact system, in wires of disconnected transmission lines using the program ATP-EMTP.
Keywords:
induced voltage, power transmission line, electric railway, program ATP-EMTP.
В настоящее время практически половина железных дорог России работает по системе переменного тока промышленной частоты. В отличие от системы на постоянном токе она имеет ряд преимуществ, таких как: увеличение расстояния между тяговыми подстанциями, уменьшение площади сечения проводов контактной сети и сокращение потерь электроэнергии, отсутствие электрокоррозии на подземных коммуникациях, простота тяговых подстанций по наличию силового оборудования.
Существенным недостатком системы однофазного переменного тока промышленной частоты является значительное электромагнитное влияние, оказываемое контактной сетью на смежные объекты железнодорожной энергетики, в том числе и на проходящие вблизи линии электропередачи (ЛЭП).
Нагрузка каждой тяговой подстанции - величина непостоянная. Она изменяется в зависимости от количества электроподвижных составов, их расположения в межподстанционной зоне и потребляемых ими токов, кроме того, в тяговой сети могут присутствовать уравнительные токи. Поэтому на практике измерение наведенных напряжений на отключенных линиях электропередачи при максимальном рабочем токе в контактной сети, как того требуют "Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок" (ПОТЭУ) [1], фактически нереализуемо.
В таком случае для оценки уровня наведенного напряжения на проводах отключенной линии следует учитывать результаты расчетных исследований, выполненных с исходными данными, которые максимально соответствуют реальным условиям рассматриваемой задачи.
В настоящей работе рассматривается способ расчета наведенного напряжения на проводах отключенных линий электропередачи Л-144 и Л-146 филиала ПАО «МРСК Северо-Запада» «Колэнерго», вызванного электромагнитным влиянием контактной сети однопутного участка железной дороги переменного тока, с помощью программы АТМ-ЕМТР [2]. Данная программа является универсальной системой программирования для цифрового моделирования переходных явлений электромагнитного характера.
Причины возникновения электромагнитного влияния контактной сети железной дороги переменного тока. Напряжения и токи в тяговой сети постоянно изменяются, в результате чего возникает электромагнитное влияние на смежные линии различного назначения.
Влияние электромагнитного поля принято рассматривать как два отдельных влияния: электрическое и магнитное. Магнитная составляющая обусловлена наведением э. д. с. в замкнутых контурах при пересечении их переменным магнитным полем, которое создает ток, протекающий в проводах тяговой сети. Значения наведенных э. д. с. и токов прямо пропорциональны значениям тяговых токов и длине участка сближения между железной дорогой и смежной ЛЭП. Интенсивность магнитного влияния также зависит от ширины сближения: при увеличении расстояния между тяговой сетью и подверженной влиянию линии она уменьшается [3].
Электрическая составляющая определяется соотношением собственных и взаимных частичных емкостей между всеми проводниками системы. В связи с тем, что взаимная емкость быстро уменьшается с увеличением ширины сближения при относительно невысоком питающем напряжении на железной дороге переменного тока (27.5 кВ), эта составляющая в данной задаче играет второстепенную роль.
Подготовка исходных данных для расчетного исследования. Линии электропередачи Л-144 и Л-146 класса напряжения 110 кВ имеют на всем пути следования сближение с однопутным участком железной дороги, электрифицированным по системе однофазного переменного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ (рис. 1).
Электропитание участка железной дороги двустороннее и производится от тяговых подстанций № 14 (г. Апатиты) и № 12 (г. Оленегорск). Фаза Ь подключается к контактному проводу, фаза с - к рельсовой цепи. Длина влияющего участка железной дороги - 73 км.
Протяженность линии Л-144 (ПС13 - ПС59) составляет 19.539 км, преобладающий тип опор - ПБ-29, ширина сближения: на участке от ПС13 до опоры № 47 - 0.91 км и на участке от опоры № 47 до ПС59 - 0.48 км.
Протяженность линии Л-146 (ПС60 - ПС13) составляет 19.709 км, ширина сближения: на участке от ПС60 до опоры № 48 - 0.98 км, для данного участка преобладающим типом опор является ПБ110-13; на участке от опоры № 48 до ПС13 - 1.8 км, где преобладающий тип опор - П (деревянные).
Рис. 1. План расположения ЛЭП Л-144, Л-146 и влияющего участка железной
дороги Апатиты - Оленегорск
На рисунке 2а, Ь представлены схемы параллельного сближения рассматриваемых объектов.
Рис. 2. Схема сближения влияющего участка железной дороги Апатиты - Оленегорск с ремонтируемыми линиями: а - Л-144; Ь - Л-146
При составлении схем сближения на линиях учитывались следующие параметры:
- ширина сближения между влияющими проводами контактной сети, рельсами и ремонтируемой линией (РЛ);
- взаимное расположение фазных проводов на опорах РЛ (транспозиции, однократные перестановки двух фаз);
- конструктивный тип опор РЛ и контактной сети;
- наличие отпаек на РЛ.
Для построения расчетной модели были определены кратчайшие расстояния между выбранным расчетным проводом РЛ и всеми проводами контактной сети и рельсов. Здесь использовались следующие данные: средние высоты подвеса этих проводов, расстояние между условными осями трасс линий и сдвиг по горизонтали каждого провода (ремонтируемой линии и влияющей тяговой сети) от осей трасс.
При косом сближении или пересечении РЛ и тяговой сети железной дороги использовалась методика приведения к эквивалентному параллельному сближению, описанная в [4]. Расстояние эквивалентного параллельного сближения вычислялось по формуле:
Ь. ^ Ьтах ^ 2Ьт| п Ь1'
12 3
где Ьтях, Ьтп - максимальное и минимальное расстояния между проводами
тяговой сети (контактный провод, питающий провод и рельсы) и РЛ соответственно.
Известно, что максимальный уровень наведенного напряжения на отключенной линии электропередачи, подверженной влиянию контактной сети, наблюдается в месте ремонта, расположенного посередине участка сближения [5]. Поскольку линии уже были поделены подобным образом по другим причинам, дополнительных разбиений не потребовалось.
Моделирование электромагнитного влияния контактной сети железной дороги на отключенную ЛЭП в программе ATP-EMTP. Расчеты наведенных напряжений на проводах линий Л-144 и Л-146 проводились с использованием модуля ЬСС программного комплекса АТР-ЕМТР. Данный комплекс позволяет моделировать линии электропередачи и тяговые сети железных дорог на основе их физических параметров с учетом изменения геометрии взаимного расположения и производить расчеты при различных режимах заземления ремонтируемой линии, задавая максимальные значения токов во влияющей сети.
Модель влияния контактной сети железной дороги переменного тока на расположенную вблизи отключенную линию электропередачи Л-144 состоит из двух участков цепи. На рис.3 представлен частный случай, когда линия заземлена по концам (ПС13, ПС59) и в месте ремонта (опора № 47). Сопротивление заземляющих устройств подстанций принималось равным 0.5 Ом, сопротивление заземления в месте ремонта - 30 Ом, удельное сопротивление грунта - 10 000 Ом-м.
Электроподвижной состав (ЭПС), находящийся на участке, получает энергию от двух тяговых подстанций, и ток, потребляемый электровозом, складывается из двух составляющих, величины которых обратно пропорциональны расстоянию от электровоза до соответствующей тяговой подстанции (чем ближе к тяговой подстанции находится электровоз, тем большая часть тока поступает к нему от этой подстанции) [3]. В созданной модели распределение тока в контактной сети задается с помощью источника переменного тока ./, часть обратного тягового тока, стекающего в землю, определяется переходным сопротивлением рельс - земля 2 и (порядка 50 % от полного тока).
Для линии электропередачи Л-146 с учетом ее исходных данных была создана расчетная модель, подобная модели линии Л-144.
98.241.-115.
Рис. 3. Модель линии Л-144 в программе АТР-ЕМТР
Результаты и анализ расчетов. Расчеты значений наведенного напряжения выполнялись на отключенных проводах линий электропередачи Л-144 и Л-146, а также на проводах при различных схемах заземления ЛЭП стационарными заземлителями в распределительных устройствах (РУ) в соответствии с требованиями правил [1] при максимальном токе в контактной сети (в нашем случае он принимался равным 250 А).
На рисунках 4 и 5 в виде графиков представлены результаты расчетов наведенных напряжений на проводах отключенных линий Л-144 и Л-146. Каждая кривая показывает уровень наведенного напряжения на линии в момент прохождения электроподвижного состава по участку железной дороги напротив точек, соответствующих началу, середине и концу линии, в которых проводился расчет наведенного напряжения.
Рис. 4. Расчетные уровни наведенного напряжения на Л-144
Рис. 5. Расчетные уровни наведенного напряжения на Л-146
Во всех рассмотренных случаях (рис. 4, 5) величина наведенного напряжения существенно превышает безопасный для ремонтного персонала уровень - 25 В, за исключением случаев, когда место ремонта находится в конце отключенной линии, заземленной с этой стороны на сопротивление заземления подстанции - 0.5 Ом.
Расчетные исследования наведенного напряжения на отключенных проводах линий Л-144 и Л-146 также были выполнены при заземлении их в месте ремонта на сопротивление 30 Ом по двум схемам заземления в РУ:
- линия заземлена по концам;
- линия изолирована по концам.
В качестве места ремонта была принята середина исследуемой линии. Результаты расчетов представлены на рис.6 в виде графиков распределения наведенных напряжений на отключенных ЛЭП в момент прохождения по участку железной дороги напротив места ремонта электроподвижного состава. Здесь можно видеть, что для каждой линии уровень наведенного напряжения в месте ремонта при заземлении РЛ в трех точках практически не отличается от результатов расчётов по схеме заземления РЛ только по концам и значительно превышает допустимый уровень.
паз м.р. паи псбо м.р. паз
-Линия изолирована по концам и заземлена в месте ремонта,
— Линия зеземлена по концам и в месте ремонта
Рис. 6. Распределение наведенного напряжения на РЛ Л-144 и Л-146 в момент прохождения ЭПС напротив места ремонта - середины линии
В случае когда в расчете используется вторая схема заземления ЛЭП, значения наведенных напряжений в месте ремонта для обеих линий не превышают даже одного вольта. При такой схеме заземления наведенное напряжение на каждой из исследуемых линий от места ремонта до подстанций распределяется несимметрично. Причиной этому служит неравное соотношение тяговых токов, поступающих с разных сторон к электроподвижному составу. Так, при расчете наведенного напряжения на линии Л-144 большая часть тягового тока (65 % от полного тока) поступает к ЭПС с подстанции ПС12, а для линии Л-146, наоборот, наибольший ток (66 % от полного тока) поступает с подстанции ПС14. Кроме того, на втором участке сближения линии Л-144 расстояние между ЛЭП и железной дорогой в два раза меньше, чем на первом участке, что объясняет высокий уровень наведенного напряжения (142 В) на конце данной линии со стороны подстанции ПС13.
Выводы
В процессе решения поставленной задачи программа ATP-EMTP оказалась удобной и достаточно легкой в исполнении. С ее помощью были построены модели, включающие электрические схемы замещения отключенных линий электропередачи и железной дороги переменного тока с учетом геометрии расположения данных объектов. Удобство при использовании выбранной программы заключалось в таких особенностях, как: простота задания тяговых токов и их распределения между рельсовой цепью и землей, скорости изменения режимов заземления линии и смены местоположения электроподвижного состава на участке.
Расчетные исследования наведенных напряжений на отключенных проводах линий электропередачи Л-144 и Л146 проводились для различных вариантов схем заземления линий. По результатам проведенных расчетов можно сделать следующие выводы.
1. Уровень наведенного напряжения на отключенных и заземленных по концам линиях значительно превышает допустимое значение (25 В) в месте ремонта - середины линии при максимальном токе в контактной сети влияющего участка железной дороги.
2. Подключение дополнительного сопротивления в месте ремонта практически не влияет на распределение наведенного напряжения на отключенных и заземленных по концам РЛ.
3. С точки зрения безопасности работы персонала на отключенных линиях, подверженных электромагнитному влиянию только контактной сети железной дороги, приемлемым решением является изоляция РЛ по концам и ее заземление в месте ремонта.
Литература
1. Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок (приложение к приказу Министерства труда и социальной защиты РФ от 24 июля 2013 г. N 328н) // Заметки электрика: сайт. URL: http://zametkielectrika.ru/novye-pravila-po-oxrane-truda-pri-ekspluatacii-elektroustanovok/ (дата обращения: 6.05.2016).
2. Селиванов В. Н. Использование программы расчета электромагнитных переходных процессов ATP-EMTP в учебном процессе // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, № 1. С. 107-112.
3. Устройство, сооружение и эксплуатация контактной сети и воздушных линий: учебник для техн. школ ж.-д. трансп. / А. В. Фрайфельд, Н. А. Бондарев, А. С. Марков; под ред. А. В. Фрайфельда. М.: Транспорт, 1980. 422 с.
4. Костенко М. В. Влияние электрических сетей высокого напряжения на техно- и биосферу. Л.: ЛПИ, 1984. 56 с.
5. 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.
Сведения об авторах Залесова Ольга Валерьевна,
младший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: Drozdova_nord@mail.ru
Колобов Виталий Валентинович,
ведущий научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, к. т. н., доцент кафедры электроэнергетики и электротехники КФ ПетрГУ. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: 1_i@mail.ru
Ефимов Борис Васильевич,
директор Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, д. т. н. Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, эл. почта: efimov@ien.kolasc.net.ru
УДК 621.311
В. Н. Селиванов, О. В. Залесова, В. В. Колобов, А. В. Богданова, В. Ф. Данченко
ИССЛЕДОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА НАВЕДЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, ВЫВЕДЕННЫХ В РЕМОНТ
Аннотация
Статья посвящена исследованию частотных характеристик взаимного влияния воздушных линий. Представлены результаты измерений наведенных напряжений на линиях, выведенных в ремонт и находящихся в зоне электромагнитного влияния соседних воздушных линий электропередачи и тяговой сети железной дороги. В программе ATP-EMTP выполнено численное моделирование, в результате которого получены частотные характеристики, объясняющие результаты экспериментов. Показано, что частотный спектр наведенного напряжения отличается от спектра источника возмущения и это отличие носит резонансный характер.
Ключевые слова:
воздушная линия, наведённое напряжение, гармоника, частотная характеристика, программа расчета переходных процессов ATP-EMTP.
V. N. Selivanov, O. V. Zalesova, V. V. Kolobov, A. V. Bogdanova, V. F. Danchenko
ANALYSIS OF FREQUENCY RESPONSE OF VOLTAGE INDUCED IN DE-ENERGIZED TRANSMISSION LINES
Abstract
The paper investigates the frequency response of the mutual coupling among overhead lines. Measurement results of voltage electromagnetically induced in de-energized transmission lines by neighboring overhead power lines and railway electric tractions, are presented. An ATP-EMTP numerical analysis is performed to obtain the frequency characteristics that explain the experimental results. It has been shown that the frequency spectrum of the induced voltage is different from the spectrum of the source of interference, and this difference has a resonant nature.
Keywords:
overhead line, induced voltage, harmonic frequency, frequency response, electromagnetic transients program ATP-EMTP.
