Защита от электрокоррозии опор контактной сети электротяги переменного тока при обращении поездов повышенной массы и длины

Актуальность темы

.

За прошедший более чем полувековой период времени от начала внедрения электрической тяги переменного тока напряжением промышленной частоты 50 Гц учеными и специалистами разработана общая теория электромагнитных процессов в электроустановках, использующих частично землю в качестве обратного провода. Систематизированы научные основы проектирования, эксплуатации и ремонта тяговых сетей магистральных железных дорог, электрифицированных на переменном токе. Характерной особенностью тяговых сетей переменного тока является создаваемое ими мощное электромагнитное поле, вызывающее существенное повышение разности потенциалов тяговых рельсов, шпал, балласта, земляного полотна, земли, заземляющих устройств, а также металлических протяженных коммуникаций, в том числе отключенных и заземленных участков контактной сети соседних путей. Основной период исследований системы питания электротяги напряжением промышленной частоты в нашей стране пришелся на 70-е — 80-е годы прошедшего столетия. Работа системы того времени характеризовалась максимальной пропускной способностью участков с поездами массой 3−3,5 тыс. т. В последние годы перед компанией ОАО «РЖД» возникли вопросы удовлетворения рыночного спроса на перевозки, повышения эффективности деятельности, качества услуг и глубокой интеграции в Евроазиатскую транспортную систему. Увеличение массы и длины грузовых поездов является одним из резервов увеличения пропускной и провозной способности железных дорог России. Комплекс технических, организационных и технологических мероприятий, направленных на обеспечение безотказной работы железнодорожных устройств, апробирован для пропускных мощностей участков, эксплуатирующихся с 70−80 годов прошлого века. Развертывание тяжеловесного движения требует пересмотра нормативно-технической базы и проведения исследований, направленных на обеспечение безотказной работы устройств железнодорожной инфраструктуры, включая разработку защит опор контактной сети от токов утечки при обращении поездов повышенной массы и длины на линиях переменного тока.

Целью работы является повышение безопасности движения поездов повышенной массы и длины на линиях переменного тока путем обеспечения безаварийного нормативного срока службы опор контактной сети. Указанная цель достигается решением поставленных задач:

— определение разности потенциалов рельсовой сети и относительно удаленной (нулевой) точки земли* для упомянутых в цели условий;

— изучение явления электрокоррозии опорных конструкций при повышенной разности потенциалов «рельс-земля» тока частотой 50 Гц и установления нормативов обеспечения безопасных условий их работы;

— изучение измерения величины пробивного напряжения искровых промежутков, служащих для защиты контактной сети, и предложение решений по его стабилизации.

Положения, выносимые на защиту:

— В результате проведенных исследований определена степень влияния массы поезда на элементы системы тягового электроснабжения переменного тока и, как следствие, на увеличение разности потенциалов «рельс-земля».

— Показана зависимость коррозионных процессов в фундаментах опорных конструкций на линиях переменного тока от разности потенциалов «рельс-земля».

— Определены условия разгерметизации искровых промежутков и предложены решения для стабилизации их работы.

— Предложен метод привязки групповых заземлений и заземлений ригель-ных опор, на тяговую рельсовую сеть исходя из условия минимизации токов утечки через тело опоры без снижения надежности работы системы.

Примечание: * здесь и в дальнейшем — разность потенциалов «рельс (сооружение) — земля».

Научная новизна работы:

— Доказано, что для подготовки линий к тяжеловесному движению необходимо проводить в дополнение к тяговому расчету выбранных участков расчёт разностей потенциалов «рельс-земля», на основании чего осуществлять предупредительные меры по защите элементов, гарантирующих безопасность движения.

— По результатам проведенных исследований разработан подход для расчёта критических значений токов утечки для опор контактной сети на участках электротяги переменного тока.

— Показана необходимость дифференцированного применения расчёта эффективного тока в отдельных точках сети переменного тока и использование этого подхода для подбора характеристик электрооборудования (в частности дроссель-трансформаторов).

Методика проведения исследования:

— экспериментальные исследования разности потенциалов «рельс — земля» при различных нормах массы поездов на линиях электротяги переменного тока ОАО «РЖД»;

— лабораторное исследование электрокоррозионной опасности переменного тока для железобетонных опор контактной сети;

— уточнение закономерности изменения пробивного напряжения ИП под воздействием климатических факторов.

При решении теоретических задач по статистическому исследованию взаимосвязи переменных величин токов и потенциалов «рельс-земля» для поездов массами 9 и 12 тыс. т использовался программный комплекс МаШСАХ).

Достоверность научных выводов. Научные положения, выводы и рекомендации не противоречат законам электротехники и электрохимии. Они обоснованы теоретически, сопоставлены с экспериментальными данными, подтверждены результатами натурных испытаний в условиях эксплуатации на действующих линиях российских железных дорог.

Практическая значимость работы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования дали возможность:

— оценить величины и распределение разности потенциалов рельсовой сети на линиях переменного тока при различных нормах массы поездов;

— исследовать и эмпирическим путем обосновать явление электрокоррозии на линиях электротяги переменного тока при повышенной разности потенциалов «рельс-земля»;

— установить закономерность изменения пробивного напряжения искровых промежутков под воздействием климатических факторов и предложить техническое решение по его стабилизации;

— обосновать целесообразность модернизации схем подключения групповых заземлений опор контактной сети на линиях переменного тока, уточнить положения «Инструкции по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных дорогах ЦЭ 191».

Внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации нормативы допустимых токов утечки с частотой 50 Гц для всего типоразмерного ряда эксплуатируемых железобетонных опор используются службой электрификации и электроснабжения Юго-Восточной железной дороги (акт прилагается к диссертационной работе).

Апробация работы. Основные научные результаты, полученные в ходе выполнения работы, доложены и обсуждены:

— на научно-технической конференции «Перспективные задачи развития железнодорожного транспорта», Москва, ОАО «ВНИИЖТ», 2010 г;

— на научно-технической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта», Москва, ОАО «ВНИИЖТ», 2011 г;

— в службе электрификации и электроснабжения Юго-Восточной железной дороги, Воронеж, 2010 г.

Публикации. Результаты выполненных исследований представлены в пяти статьях, две из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России. Три статьи опубликованы в трудах ОАО «ВНИИЖТ».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов работы, библиографического списка из 80 наименований. Работа содержит 101 страницу машинописного текста содержательной части, 39 рисунков, 16 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Диссертационная работа направлена на повышение безопасности движения поездов повышенной массы и длины на линиях переменного тока путем обеспечения безаварийного нормативного срока службы опор контактной сети. Решение этой актуальной проблемы основано на определении разности потенциалов рельсовой сети и земли для поездов повышенной массы и длины, изучение явления электрокоррозии опорных конструкций при повышенной разности потенциалов «рельс-земля» тока частотой 50 Гц, а также изменения величины пробивного напряжения искровых промежутков, служащих для защиты контактной сети, и формулировке конкретных предложений по их стабилизации с проверкой на практике.

1.В результате проведенных исследований определена степень влияния массы поезда на элементы системы тягового электроснабжения переменного тока.

2. Показана конкретная зависимость коррозионных процессов в фундаментах опорных конструкций на линиях переменного тока от разности потенциалов «рельс-земля».

3. Определены условия разгерметизации искровых промежутков, а также разработан и предложен метод привязки групповых заземлений и заземлений ригельных опор, на тяговую рельсовую сеть исходя из условия минимизации токов утечки через тело опоры без снижения надежности работы системы.

4. Доказано, что для подготовки линий к тяжеловесному движению необходимо проводить в дополнение к тяговому расчёту выбранных участков расчет разностей потенциалов «рельс-земля» по результатам которого осуществлять предупредительные меры по замене элементов, не гарантирующих безопасность движения.

5. Показано, что для переменного тока разность потенциалов «рельс-земля» зависит от весовых норм поездов, тяговых характеристик ЭПС, величины переходных сопротивлений рельсов относительно земли, профиля пути и других факторов.

6.Указано на необходимость дифференцированного применения расчета эффективного тока в отдельных точках сети переменного тока и использовании этого подхода для подбора характеристик электрооборудования (в частностидроссель-трансформаторов).

По резутатам, полученным в диссертации, получен акт о внедрении разработанных предложений на Юго-Восточной железной дороге за подписью Начальника службы электрификации и электроснабжения. В акте высоко оценены результаты работы и отмечено, что они уже в настоящее время используются для защиты опор контактной сети при вождении поездов повышенной массы и длинны. Результаты исследований включены в предложения службы по корректировке указаний по техническому ремонту опорных конструкций контактной сети «К — 146 — 2008» и инструкции по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных дорогах «ЦЭ — 191».