CC BY
23
УДК 656.259.12
Влияние геоиндуцированных токов на дроссель-трансформаторы рельсовых цепей железнодорожной автоматики
А. М. Костроминов, Р О. Ложкин
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Костроминов А. М., Ложкин Р. О. Влияние геоиндуцированных токов на дроссель-трансформаторы рельсовых цепей железнодорожной автоматики // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2021. - Т. 18. - Вып. 2. - С. 222-228. БО1: 10.20295/1815-588Х-2021-2-222-228
Аннотация
Цель: Рассмотреть возможность подмагничивания сердечника дроссель-трансформатора постоянным током при использовании электротяги переменным током. Определить возможность влияния солнечной активности, в частности геоиндуцированных токов, на устройства систем сигнализации, централизации и блокировки. Методы: Проведен анализ условий и причин, при которых сердечник дроссель-трансформатора намагничивается, что является причиной уменьшения его индуктивного сопротивления и изменения коэффициента передачи рельсовой цепи. Применяются описание влияния геоиндуцированных токов на работу силовых трансформаторов тяговых подстанций и проекция данного сценария на работу дроссель-трансформаторов. Результаты: Изложены условия и причины некорректной работы дроссель-трансформаторов, связанной с подмагничива-нием сердечника постоянным током, при использовании электротяги переменным током; проанализирована возможность насыщения магнитной системы дроссель-трансформатора геоиндуци-рованным током; определены возможные последствия при переходе дроссель-трансформатора в режим насыщения. Практическая значимость: Полученные результаты способствуют углублению знаний о возможности влияния солнечной активности на объекты железнодорожной инфраструктуры, что, в свою очередь, необходимо для разработки методов и средств, направленных на обеспечение бесперебойной работы железнодорожного транспорта.
Ключевые слова: Дроссель-трансформатор, силовой трансформатор, насыщение трансформатора, геоиндуцированные токи, квазипостоянный ток.
Введение
Многолетний опыт наблюдения и изучения солнечной активности помог определить частоту возникновения на Земле геомагнитных бурь (ГМБ). В течение одиннадцатилетнего солнечного цикла насчитывается около 9,5 тыс. ч геомагнитных возмущений [1]. Сильные ГМБ оказывают пагубное воздействие на техносферу, и связано это прежде всего с генерируемыми ими переменными магнитными полями и геоиндуци-рованными токами (ГИТ), которые распростра-
няются по протяженным металлическим проводникам. В качестве таких проводников выступают линии электропередачи, металлические трубопроводы, железнодорожные пути и т. п. Так как на объектах железнодорожного транспорта применяются тяговые устройства и рельсовые цепи в качестве проводника для передачи сигналов управления системами автоматики, справедливо считать, что железнодорожный транспорт в наибольшей степени подвержен влиянию солнечной активности [2]. Внезапные прекращения функционирования систем управления движением
поездов, повлекшие за собой нарушения графика движения, неоднократно фиксировались на Октябрьской железной дороге. При этом характерной чертой таких событий являлось дальнейшее самовосстановление работоспособности систем без вмешательства оперативно-ремонтного персонала. В конечном итоге причины нарушений не были до конца установлены.
Характеристики ГИТ
Во время солнечной активности наблюдается изменение магнитного поля планеты, что происходит в результате обтекания магнитосферы плазмой солнечного ветра, которая представляет собой поток заряженных частиц, исходящих от Солнца. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в проводнике возникает ток, электродвижущая сила (ЭДС) которого зависит от скорости изменения магнитного потока и угла между проводником и полем и вычисляется по формуле
ДФ т Д
где Ф - изменяющийся магнитный поток через контур, Вб; I - изменяющийся электрический ток через контур, А; Ь - индуктивность контура, Гн.
Таким образом, электрические токи, известные как ГИТ, способные течь в любой проводя-
щей структуре, например в линиях электропередач или рельсовых цепях, порождаются изменением магнитного поля Земли и обусловлены законом электромагнитной индукции Фарадея [3].
Высокоинтенсивные ГМБ характерны для полосы широт между 60° и 70°. Индикатором данного явления может служить северное сияние, которое нередко встречается в северной части России [4].
Наблюдение за геомагнитной активностью в Мурманске с 17 сентября по 14 ноября 2019 г. помогло определить, что за это время насчитывалось около 57 ч магнитных бурь продолжительностью от 3 до 12 ч [5].
Геоэлектрические поля, создаваемые на Земле изменениями геомагнитного поля во время ГМБ, имеют напряженность от 1 до 20 В/км. Расчетным путем получены значения ГИТ в линиях электропередачи в зависимости от напряженности геоэлектрического поля (рисунок) [6, 7].
При проведении расчетов ГИТ, наводимых в линиях электропередачи, использовался частный случай, при котором вектор напряженности геоэлектрического поля направлен вдоль линий электропередач.
Анализируя полученную зависимость и предполагая ее прямолинейный характер, уместно считать, что при напряженности геоэлектрического поля, равной 20 В/км (это характерно при сильных ГМБ), значение ГИТ будет около 40 А [6, 7].
I (ГИТ), А 25
20
15
10
5
0
1
Е, В/км
3 4
5
6 7 8 9 10
Зависимость ГИТ от напряженности геоэлектрического поля
Подмагничивание силовых трансформаторов ГИТ
Во времена сильных ГМБ индуцированные ГИТ протекают по линиям электропередачи совместно с переменным током и попадают в обмотки высокого напряжения силовых трансформаторов. По сравнению с несущей частотой передачи электроэнергии 50 Гц частоты ГИТ очень малы - от 0,0001 до 0,1 Гц и потому его стоит рассматривать как квазипостоянный ток. ГИТ, протекая по обмоткам силового трансформатора, не трансформируются, а полностью участвуют в процессе намагничивания стали маг-нитопровода, что вызывает смещение рабочей точки в область насыщения. При этом форма кривой тока намагничивания сильно искажается и становится сильно несимметричной в течение полупериодов [8].
С увеличением ГИТ возрастает и ток намагничивания силового трансформатора, что приводит к уменьшению времени, при котором наступает процесс насыщения магнитной системы силового трансформатора. При ГИТ = 1 А насыщение магнитопровода трансформатора ТРДН 63000/110/6,3/6,3 наступает через 24 с, при 15 А - через 3 с. С учетом того факта, что ГМБ могут продолжаться часами, даже слабые бури, при которых ГИТ не превышают 5 А, могут стать причиной некорректной работы силовых трансформаторов [8].
Так как протяженность железнодорожных путей сопоставима с протяженностью линий электропередач, допустимо считать, что наводимые в них ГИТ будут иметь похожие характеристики.
Насыщение магнитной системы дроссель-трансформаторов рельсовых цепей постоянным током
Симметричный режим работы двухниточной рельсовой цепи гарантирует надежную защиту систем управления движением поездов от влияния любых гармоник тягового тока, в том чис-
ле и постоянно составляющей. Это реализуется благодаря встречному включению первичных полуобмоток дроссель-трансформатора. Проходя по ним, тяговый ток не наводит ЭДС во вторичной обмотке и не способен подмагничивать сердечник дроссель-трансформатора.
Асимметричный режим работы рельсовой цепи приводит к тому, что тяговые токи, протекающие по полуобмоткам, имеют разные значения. Сердечник дроссель-трансформатора подмагни-чивается, а наличие постоянной составляющей усиливает данный процесс, так как постоянный ток не трансформируется, а полностью участвует в насыщении. Происходит уменьшение индуктивного сопротивления сердечника дроссель-трансформатора и, следовательно, снижение коэффициента передачи рельсовой цепи. Результатом этого являются понижение напряжения на путевом реле свободной рельсовой цепи и ее ложная занятость [9, 10].
Проводимые в МИИТе экспериментальные исследования показали, что при подмагничи-вании сердечника дроссель-трансформатора ДТ-1-150 постоянным током 17 А наблюдается уменьшение его входного сопротивления в 7 раз [11-13].
При электротяге переменного тока значение асимметрии рельсовой цепи должно быть менее 4 %. Данный параметр оценивается по тяговому току, проходящему по первичным полуобмоткам дроссель-трансформаторов. Необходимо учитывать, что асимметрия по постоянному току может иметь другие значения. Связано это прежде всего с тем, что при продольной асимметрии рельсовой линии удельное сопротивление рельсов на постоянном токе в 6-8 раз ниже, чем на частоте 50 Гц. Следует также указать, что штатными приборами на переменном тяговом токе асимметрию по постоянной составляющей можно не обнаружить, а сама процедура измерения асимметрии по постоянному току сложна и в графике обслуживания рельсовых линий не предусмотрена.
Стоит отметить, что при подмагничивании сердечника дроссель-трансформатора рабочая точка на кривой намагничивания смещается за
пределы линейной части петли гистерезиса в область насыщения. Это приводит к изменению формы и фазы выходного сигнала. Для широко используемых в качестве путевых приемников станционных рельсовых цепей реле ДСШ подъем сектора (замыкание фронтовых контактов) обеспечивается лишь при заданном значении разности фаз между токами, проходящими по катушкам местного и путевого элементов. Формула вращающего момента выглядит следующим образом:
М = /пIu sin ф ,
где I - ток в катушке местного элемента, А; I -ток в катушке путевого элемента, А; ф - угол сдвига фаз между токами путевого и местного элементов, град.
Легко заметить, что для достижения максимального вращающего момента угол между токами должен быть равен 90°. В условиях эксплуатации допустимо изменение угла ф на 30°, при этом изменение вращающего момента можно считать незначительным. Дальнейшее увеличение разности фаз приводит к неустойчивой работе рельсовой цепи [14].
Таким образом, появление постоянной составляющей, обусловленной наличием ГИТ, в обратной тяговой сети и асимметрия рельсовой цепи, в том числе и по постоянному току, способствуют насыщению магнитной системы дроссель-трансформаторов. В результате наблюдаются снижение напряжения сигнального тока и изменение его фазы, что приводит к опусканию сектора путевого приемника рельсовых цепей и, как следствие, к появлению ложной занятости рельсовой цепи.
Заключение
Процессы космической погоды могут вносить перебои не только в системы электропитания, но и в системы управления движением на участках железных дорог с электротягой, где рельсовые линии имеют непрерывность про-
водимости. Наведенные в них изменяющимися магнитными полями ГИТ вызывают насыщение дроссель-трансформаторов рельсовых цепей (такие случаи неоднократно отмечались на Октябрьской железной дороге). При под-магничивании дроссель-трансформаторов напряжение сигнального тока в рельсовой цепи уменьшается, а также изменяется его фаза, в результате путевые реле выключаются. Возникает ложная занятость путей. Как следствие, это ведет к простоям поездов, нарушениям графика перевозочного процесса и, следовательно, к дополнительным расходам. Кроме того, внезапные перемежающиеся отказы устройств автоматики существенно увеличивают психологическую нагрузку на оперативный персонал, что повышает риски, связанные с обеспечением безопасности движения поездов.
Для уменьшения негативного влияния космической погоды на психологическое состояние эксплуатационного персонала может оказаться полезным его превентивное оповещение о предстоящей магнитной буре. Однако полностью избавиться от влияния ГИТ на системы железнодорожной автоматики на участках с электротягой можно только при переходе там, где возможно, на интервальное регулирование движения поездов с минимальным участием рельсовых цепей.
Библиографический список
1. NERC. Spécial reliability assessment intérim report: Effects of geomagnetic disturbances on the Bulk Power System. - Atlanta : North American electric reliability corporation, 2012. - Р. 2-3.
2. Касинский В. В. Влияние геомагнитных возмущений на работу систем железнодорожной автоматики и телемеханики / В. В. Касинский, Н. Г. Птицына, Н. Н. Ляхов, М. И. Тясто, Дж. Виллорези // Геомагнетизм и аэрономия. - 2007. - Т. 47. - № 5. - С. 714-718.
3. Александров О. Ю. Совершенствование проектных решений и методик эксплуатации магистральных газонефтепроводов, подверженных воздействию теллурических блуждающих токов : дис. ... канд. техн.
наук, специальность : 25.00.19 / О. Ю. Александров. -Ухта : Ухт. гос. техн. ун-т, 2018. - 159 с.
4. Чистяков Г. Н. Экспериментальное исследование тока в нейтрали трансформатора в период геомагнитных бурь / Г. Н. Чистяков, С. Н. Сигаев // Изв. Томск. политех. ун-та. - 2011. - Т. 318. - № 4. - С. 122-127.
5. Гильдунина Д. С. Влияние геоиндуцирован-ных токов на энергосистемы // Материалы XIV Все-рос. науч.-технич. конференции с международным участием, посвященной 85-летию со дня рождения заслуженного работника ВШ РФ, доктора физико-математических наук, профессора М. И. Киселёва. -М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. - С. 79-82.
6. Самородов А. В. Исследование и расчет геоин-дуцированных токов линий электропередач при геомагнитных бурях / А. В. Самородов, Л. Ф. Копелевич, Д. Л. Ампар, Е. С. Крутенко // Булатовские чтения. -2017. - Т. 5. - С. 105-108.
7. Кувшинов А. А. Анализ механизмов распространения геоиндуцированных токов в системообразующих электрических сетях различной топологии / А. А. Кувшинов, В. В. Вахнина, В. А. Кузнецов, Т. А. Рыбалко, М. О. Зюзин // Электричество. - 2015. - № 5. - С. 36-46.
8. Вахнина В. В. Влияние геоиндуцированных токов на насыщение магнитной системы силовых трансформаторов / В. В. Вахнина, А. Н. Черненко, В. А. Кузнецов // Вектор науки Тольят. гос. ун-та. - 2012. -№ 3 (21). - С. 65-69.
9. Кириленко А. Г. Электрические рельсовые цепи : учеб. пособие / А. Г. Кириленко, Н. А. Пельменева // Хабаровск : Изд-во ДВПГУПС, 2006. - 95 с.
10. Бушуев А. В. Рельсовые цепи: теоретические основы и эксплуатация : монография / А. В. Бушуев, В. И. Бушуев, С. В. Бушуев. - Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2014. - 312 с.
11. Зенкович Ю. И. Анализ электромагнитной совместимости рельсовых цепей и тягового электроснабжения / Ю. И. Зенкович, А. А. Иваненко // Мир транспорта. - 2017. - Т. 15. - № 1. - С. 40-46.
12. Зенкович Ю. И. Защита рельсовых цепей от ложной занятости при гололёдообразовании на контактном проводе / Ю. И. Зенкович, А. А. Иваненко, Е. Г. Щербина // Автоматика, телемеханика, информатика. - 2012. - № 3 (21). - С. 65-69.
13. Зенкович Ю. И. Защита рельсовых цепей от ложной занятости при гололёдообразовании на контактном проводе / Ю. И. Зенкович, А. А. Иваненко, Е. Г. Щербина // Автоматика, телемеханика, информатика. - 2011. - № 4. - С. 29-31.
14. Виноградова В. Ю. Технология ремонтно-регулировочных работ устройств и приборов систем СЦБ и ЖАТ / В. Ю. Виноградова. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2015. - 190 с.
Дата поступления: 21.01.2021 Решение о публикации: 25.02.2021
Контактная информация:
ЛОЖКИН Роман Олегович - аспирант; mrromanspb@yandex.ru
КОСТРОМИНОВ Александр Михайлович - д-р техн. наук, проф.; triak@grozon.spb.ru
Influence of geoinduced currents on impedance bonds with secondary windings used in railway automation circuits
A. M. Kostrominov, R. O. Lozhkin
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Kostrominov A. M., Lozhkin R. O. Influence of geoinduced currents on impedance bonds with secondary windings used in railway automation circuits. Proceedings of Petersburg Transport University. Saint Petersburg, Petersburg State Transport University, 2021, vol. 18, iss. 2, pp. 222-228. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-2-222-228
Summary
Objective: To consider the possibility of DC magnetization of the core of the impedance bond with secondary winding when using AC electric traction. To determine the possible influence of solar activity, and in particular the geoinduced currents, on the signaling arrangements (SAs). Methods: Analysis of the conditions and causes of magnetization of the core of the impedance bond with a secondary winding, which is the reason for a decrease in its inductance and a change in the track circuit coefficient of transmission. Description of the influence of geoinduced currents on the operation of traction substation power transformers and the using this scenario for modeling the operation of impedance bonds with secondary windings. Results: The conditions and reasons for the incorrect operation of the impedance bonds with secondary windings associated with the magnetization of the core by direct current, when using electric traction with alternating currents, have been stated; the possibility of saturation of the magnetic system of the impedance bond with geoinduced current has been analyzed; the possible consequences of the transition of the impedance bond to the saturation mode have been determined. Practical importance: The study findings broaden the knowledge about the possible influence of solar activity on the railway infrastructure facilities, which in its turn is necessary for the development of methods and means aimed at ensuring the uninterrupted operation of railway transport.
Keywords: Impedance bond with secondary winding, power transformer, transformer saturation, geoinduced currents, quasi-constant current.
References
1. NERC. Special Reliability Assessment Interim Report: Effects of Geomagnetic Disturbances on the Bulk Power System. Atlanta, North American electric reliability corporation Publ., 2012, pp. 2-3.
2. Kasinsky V. V., Ptitsyna N. G., Lyakhov N. N., Tyas-to M. I. & Villoresi G. Vliyaniye geomagnitnykh voz-mushcheniy na rabotu sistem zheleznodorozhnoy av-tomatiki i telemekhaniki [Influence of geomagnetic disturbances on the operation of railway automation and remote control systems]. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy], 2007, vol. 47, no. 5, pp. 714-718. (In Russian)
3. Aleksandrov O. Yu. Sovershenstvovaniye proyek-tnykh resheniy i metodik ekspluatatsii magistral'nykh gazonefteprovodov, podverzhennykh vozdeystviyu tellu-richeskikh bluzhdayushchikh tokov. Dis. kand. tekhn. nauk, spetzial'nost: 25.00.19 [Improvement of design solutions and methods of operation of main gas and oil pipelines exposed to telluric stray currents. Dis. for PhD in Engineering, speciality: 25.00.19]. Ukhta, Ukhta State Technics University Publ., 2018, 159 p. (In Russian)
4. Chistyakov G. N. & Sigaev S. N. Eksperimental'-noye issledovaniye toka v neytrali transformatora v period geomagnitnykh bur' [Experimental study of the current in
the transformer neutral during geomagnetic storms]. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2011, vol. 318, no. 4, pp. 122-127. (In Russian)
5. Gil'dunina D. S. Vliyaniye geoindutsirovannykh tokov na energosistemy [Influence of geoinduced currents on power systems]. Sbornik materialov XIV Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem, posvyashchyonnoy 85-letiyu so dnya rozh-deniya zasluzhennogo rabotnika VSh RF, doktora fiziko-matematicheskikh nauk, professora M. I. Kiselyova [Collection of materials of theXIVAll-Russian Scientific and Technical Conference with International Participation, dedicated to the 85th anniversary of the Honored Employee of the Higher School of the Russian Federation, Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Professor M. I. Kiselyov]. Moscow, MGTU namer N. E. Bau-man, 2020, pp. 79-82. (In Russian)
6. Samorodov A. V., Kopelevich L. F., Ampar D. L. & Krutenko E. S. Issledovaniye i raschet geoindutsirovannykh tokov liniy elektroperedach pri geomagnitnykh buryakh [Research and calculation of geoinduced currents of power lines during geomagnetic storms]. Bulatovs-kiye chteniya [Readings of A.I. Bulatov], 2017, vol. 5, pp. 105-108. (In Russian)
7. Kuvshinov A. A., Vakhnina V. V., Kuznetsov V. A., Rybalko T. A. & Zyuzin M. O. Analiz mekhanizmov
rasprostraneniya geoindutsirovannykh tokov v sistemo-obrazuyushchikh elektricheskikh setyakh razlichnoy to-pologii [Analysis of the mechanisms of propagation of geoinduced currents in backbone electric power systems of various topologies]. Elektrichestvo [Electricity], 2015, no. 5, pp. 36-46. (In Russian)
8. Vakhnina V. V., Chernenko A. N. & Kuznetsov V.A. Vliyaniye geoindutsirovannykh tokov na nasyshcheniye magnitnoy sistemy silovykh transformatorov [Influence of geoinduced currents on the power transformer magnetic system saturation]. Science Vector of Togliatti State University, 2012, no. 3 (21), pp. 65-69. (In Russian)
9. Kirilenko A. G. & Pel'meneva N. A. Elektricheskiye rel'sovyye tsepi [Electric track circuits]. Uchebnoye po-sobiye [Training manual]. Khabarovsk, Far Eastern State Transport University Publ., 2006, 95 p. (In Russian)
10. Bushuev A. V., Bushuev V. I. & Bushuev S. V. Rel'sovyye tsepi: teoreticheskiye osnovy i ekspluatatsiya. Monografía [Rail circuits: theoretical foundations and operation. Monograph]. Yekaterinburg, Ural State University of Railway Transport Publ., 2014, 312 p. (In Russian)
11. Zenkovich Yu. I. & Ivanenko A. A. Analiz elektro-magnitnoy sovmestimosti rel'sovykh tsepey i tyagovogo elektrosnabzheniya [Analysis of electromagnetic compatibility of rail circuits and traction power supply]. Mir transporta [ The world of transport], 2017, vol. 15, no. 1, pp. 40-46. (In Russian)
12. Zenkovich Yu. I., Ivanenko A. A. & Shcherbi-na E. G. Zashchita rel'sovykh tsepey ot lozhnoy zanyatosti
pri gololedoobrazovanii na kontaktnom provode [Protection of track circuits from false actuation in case of icing of a contact wire]. Avtomatika, telemekhanika, informa-tika [Automation, Remote Control, Informatics], 2012, no. 3 (21), pp. 65-69. (In Russian)
13. Zenkovich Yu. I., Ivanenko A.A. & Shcherbi-na E. G. Zashchita rel'sovykh tsepey ot lozhnoy zanya-tosti pri gololedoobrazovanii na kontaktnom provode [Protection of track circuits from false actuation in case of icing of a contact wire]. Avtomatika, telemekhanika, informatika [Automation, Remote Control, Informatics], 2011, no. 4, pp. 29-31. (In Russian)
14. Vinogradova V. Yu. Tekhnologiya remontno-re-gulirovochnykh rabot ustroystv i priborov sisem STsB i ZhAT [The repair and adjustment technology for apparatus and devices of the signaling arrangements and railroad automation and telemechanics systems]. Moscow, Ucheb-no-metodicheskiy tsentr po obrazovaniyu na zheleznodo-rozhnom transporte [Railway educational training center] Publ., 2015, 190 p. (In Russian)
Accepted: January 21, 2021 Received: February 25, 2021
Author's information:
Aleksandr M. KOSTROMINOV - Dr. Sci. in Engineering, Professor; triak@grozon.spb.ru Roman O. LOZHKIN - Postgraduate Student; mrromanspb@yandex.ru
