Защита контактной сети по тепловому режиму при различных циклах тяговой нагрузки

Во всех странах мирового сообщества, где имеются, в первую очередь электрифицированные железные дороги ставится вопрос перевода экономики с энергорасточительного на энергосберегающий путь развития. Россия, в этом плане, не является исключением. Указ президента России № 472 от 07 мая 1995 г. «Основные направления энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 г.» предусматривает комплекс мероприятий по электросбережению.

К важнейшей составляющей этого вопроса можно отнести мероприятия по снижению расхода цветных металлов, потерь, расхода электрической энергии в контактной сети магистральных железных дорог. Основной особенностью энергетической политики железнодорожного транспорта на перспективу до 2010 г. является всемерное энергосбережение цветных металлов с одновременном повышением эффективности потребления этих ресурсов.

Указание МПС РФ от 11.02.2003 г. № 149р «О комплексном плане работы по распространению передового опыта на железнодорожном транспорте на 2003 год» предусматривает широкое внедрение достижений науки и техники в производство.

Общее положения проводимой в системе тягового электроснабжения технической политики направлено на расчет проводов контактной подвески на крайние значения температур по климатическим районам с учетом нагрева проводов не только солнечной радиацией, но и токами нагрузки до предельной допустимой температуры 95 °C. Без тепловой защиты это учесть крайне сложно, если вообще выполнимо.

По анализу отказов работы технических средств в условиях повышение массы поездов, роста движения поездов на электрической тяге на 6,8% в 2002 году возросла повреждаемость контактной сети из-за пережогов проводов при увеличении тяговых нагрузок в первую очередь на железных дорогах постоянного тока с предельными износами контактной сети со сроком службы более 40 лет.

По Куйбышевской железной дороги степень износа основных фондов в хозяйстве электрификации достигла 74,6%.

Потери на железнодорожном транспорте от задержек поездов по вине хозяйства электроснабжения в 2002 г. увеличились на 43% и составили 14,2 млн руб., в том числе по Куйбышевской 1,5 млн. руб, а пережоги проводов.

— 18,4%. Обрывы контактного провода по предельному местному износу на Куйбышевской железной дороге составляют — 9%.

Ускорение общественного производства всегда и неизбежно связано с развитием транспортных систем различных уровней. Важная роль уделяется железнодорожному транспорту, как одной из ключевых отраслей экономики, а его электрификация — основное направление применения наиболее прогрессивных видов тяги. Особое место в системе тягового электроснабжения занимает контактная сеть.

Ф Токи, протекающие по проводам, приводят к выделению в них тепла, а, следовательно, к потерям энергии и к повышению их температуры относительно окружающей среды. Повышение температуры приводит к двум последствиям:

— изменяет натяжение и ординаты кривых провисания свободно подвешенных проводов контактной сети и некомпенсированных проводов цепных подвесок, в которых возникает перекос струн, фиксаторов и консолей, а также изменение положения компенсирующих грузов;

— вызывает старение проводов, что выражается в понижении предела упругости и разрушающего натяжения, тем самым, понижая запас прочности сооружения.

В настоящее время использование более мощных локомотивов и проведение поездов повышенной массы и длины обусловливают увеличение мощности устройств тягового электроснабжения. Наряду с неизбежным увеличением мощности тяговых подстанций и усилением контактной сети (КС) возникает необходимость более полного использования её нагрузочной способности.

Нагрузочная способность КС определяется токовой нагрузкой проводов по условиям нагрева.

Существующие защиты не учитывают температуру нагрева проводов. В настоящее время, согласно «Правилам устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ЦЭ-868) [72]» выбор сечения контактной подвески (КП) для обеспечения пропуска поездов повышенной массы и длины производится исходя из охлаждения провода со скоростью 1 м/с, наибольшей температуры окружающей среды +40 °С и допустимых величин превышения температуры проводов током меньших тока уставки фидерных быстродействующих выключателей (БВ).

Вследствие влияния метеорологических условий возникает значительный ресурс по температурному режиму. Данное положение обусловливает неполное использование нагрузочной способности КС при различных температурах окружающей среды и скорости ветра, а также при кратковременных бросках тока в пусковом режиме. Нагрузочную способность КС можно реализовать с помощью устройства, которое позволяет контролировать температуру проводов и отключать питание данного участка при повышении его величины, допустимой по условиям нормальной эксплуатации и сохранения необходимой механической прочности проводов.

Механическая прочность проводов контактной подвески зависит от их температуры, которая в свою очередь определяется, протекающим по ним током и метеорологическими условиями: температурой окружающей среды, охлаждением провода ветром и его величиной и как направлен перпендикулярно к проводу или вдоль него, а также наличием или отсутствием солнечной радиации.

Для каждой марки провода известна предельная допустимая температура, превышение которой приводит к так называемому «отжигу» провода, в результате которого резко снижается его механическая прочность и поскольку медь не обладает упругой деформацией, способность принять прежние размеры после остывания. Отожженный провод способен растягиваться под действием на* грузки от силы тяжести и буквально «лечь» на путь со всеми вытекающими по.

•г следствиями.

Причинами «отжига», как правило, являлись случаи неотключения К.З. выключателями фидеров (КС) вследствие их неправильной настройки или же отказа, а также случаи недопустимой перегрузки проводов подвески тяговыми токами от поездов повышенной массы и длины, отправленных «пачкой», т. е. друг за другом с минимальным интервалом. Таким образом, причиной отжига проводов является недопустимая по величине и длительная токовая нагрузка проводов подвески.

Общеизвестно, что допустимая нагрузка проводов зависит от состояния окружающей среды и, например, существенно больше зимой, чем летом. Следует особо отметить, что провод может быть отожжен и эластичность его потеряна не сразу по всей длине, а на отдельных локальных участках, где количество выделяемого тепла повышено, например, в местах износа контактного провода или же в местах, где к проводу крепятся зажимы электрических соединителей. В последнем случае повышенное выделение тепла может явиться следствием большого переходного сопротивления окислившихся или же плохо затянутых деталей электрических соединителей. Локальная потеря эластичности также опасна, так как может привести к растяжению, а затем и обрыву провода на этом участке. В настоящее время на электрифицированных железных дорогах для регистрации мест повышенного нагрева проводов КП используются ручные переносные приборы. Работа с ними малопроизводительна и неудобна, а получаемая информация — неоперативная. Поэтому ведутся работы по созданию систем автоматического контроля теплового состояния КП. Однако, до настоящего времени эта проблема не нашла своего окончательного решения. Это объяснятся спецификой условий работ систем контроля на железных дорогах и трудностями разработки простых и надежных устройств измерения температуры проводов.

Более рационально нагрузочная способность проводов КП используется при применение тепловых защит, так как они автоматически учитывают влия ние внешней среды. Несмотря на то, что использование тепловых защит требует больших затрат на оборудование и его обслуживание, их применение полностью оправдывается. Из сказанного следует, что эффективная и надежная эксплуатация КС невозможна без объективного контроля, за тепловым состоянием проводов подвески, такой контроль должен быть осуществлён специальной «тепловой» защитой фидеров КС.

Именно в плане решения проблемы контроля теплового состояния и разработки устройства тепловой защиты контактной сети удовлетворяющею требованиям эксплуатации, и проводились теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых и составили основное содержание диссертационной работы.

Большой вклад в области тепловых расчетов проводов и создания аппаратуры по тепловому контролю контактной сети внесли Российские ученые в области электрификации железных дорог: В. Н. Пупынин, В. П. Михеев, А.С. Бо-&diamsчев, А. В. Котельников, В. П. Герасимов, Р. И. Мирошниченко, И. В. Павлов, В.А.

Вологин, B.JI. Григорьев, А. А. Порцелан, Ю. П. Неугодников, И. П. Неугодников, А. И. Гуков, Г. Г. Марквардт, Л. С. Лабунский, Е. П. Фигурнов, Т. Е. Петрова, И. Б. Фогельсон, Б. С. Финкельштейн и другие [2, 21, 46, 49, 58, 60, 92, 93].

Однако неучет ряда эксплуатационных и метеорологических факторов, выдвигаемых со стороны контактной сети на позволяет сделать заключение об исчерпывающем решении проблемы теплового контроля контактной сети. Это явилось основанием начала исследований в этом направлении, развернутой в Самарской государственной академии путей сообщения на кафедре «Электроснабжения железнодорожного транспорта».

Целью работы является разработка методов теплового расчета проводов и устройства тепловой защиты контактной сети, удовлетворяющей требованиям эксплуатации.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:

1) провести анализ отказов контактной сети из-за недопустимого теплового режима;

2) провести анализ существующих методов измерения температуры проводов и устройств контроля за их тепловым состоянием;

3) определить статистические характеристики и доверительные интервалы превышения температуры нагрева проводов контактной сети при различных циклах тяговой нагрузки и воздействия метеорологических условий;

4) разработать методы теплового расчета проводов и определения локальных мест нагрева контактных проводов при различных циклах тяговой нагрузки;

5) теоретически и экспериментально обосновать место установки датчиков температуры тепловой защиты контактной сети;

6) разработать конструкцию тепловой защиты контактной сети с датчиками температуры, установленными в проводе;

7) провести экспериментальные исследования работы тепловой защиты контактной сети.

В результате решения этих задач:

— предложены методики теплового расчета проводов контактной сети при различных циклах тяговой нагрузки и метеорологических условий;

— методики анализа тепловых процессов в локальных местах износа контактного провода;

— обосновано место установки датчиков температуры ТЗКС и её конструкция;

— разработан тепловой стенд для исследования работы ТЗКС при любых циклах тяговой нагрузки.

Учитывая сложность решения задач, некоторые вопросы решались экспериментальным путем. На стенде с помощью регистрирующей аппаратуры.

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана и доведена до внедрения устройство тепловой защиты контактной сети (ТЗКС), которая позволяет уменьшать число пережогов проводов контактной сети.

Новизна практических результатов подтверждена свидетельством на полезную модель и патентом по техническим решениям, полученным на их основе.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе получили дальнейшее развитие и практическое решение проблемы теплового контроля контактной сети. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, а также стендовые испытания позволили получить следующие основные результаты:

1. На основе анализа длительной эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог показано, что в последние годы резко возросло количество повреждений из-за недопустимого нагрева элементов контактной сети, особенно постоянного тока, срок эксплуатации которых превышает 40 лет. В результате этого сделан вывод о том, что требуется контроль контактной подвески по тепловому режиму.

2. Разработаны методики теплового расчета проводов контактной сети и контактных проводов в локальных местах износа, позволяющие определить температуры нагрева при любых циклах тяговой нагрузки и воздействия метеорологических условий.

3. На основании проведенных исследований установлено, что в тепловых расчетах, а также в устройствах контроля теплового состояния проводов должно быть учтено влияние метеорологических условий. Это требование реализовано в разработанной ТЗКС.

4. Теоретическими расчетами получено и экспериментально подтверждено место установки датчиков температуры тепловой защиты контактной сети. В разработанном устройстве ТЗКС датчики температуры установлены в проводах контрольного участка в непосредственной близости от тяговой подстанции.

5. Исследованиями тепловых процессов в проводах контактной сети установлено, что лимитирующим проводом во всех типах контактных подвесок является контактный провод с локальным износом.

6. Разработаны методики выбора уставки тепловой защиты контактной сети по температуре и межпоездного интервала при любых циклах тяговой нагрузки и окружающей среды. Во всех случаях исключается отжиг проводов из-за недопустимого нагрева.

Разработана и внедрена тепловая защита контактной сети, удовлетворяющая требованиям эксплуатации и позволяющая подачу звукового или светового сигнала при температурах +95 °С и +120 °С и отключение питания фидерной зоны при достижении температуры нагрева провода +140 °С. При этом защита учитывает нагрев провода тяговыми токами и солнечной радиацией и охлаждение ветром.

Экономический эффект от применения ТЗКС составляет 190 тыс. руб. на одну фидерную зону.