Модернизация устройств контактной сети участка железной дороги «Негорелое — Городея» для скоростного движения

Белорусский государственный университет транспорта Кафедра автоматики и телемеханики Факультет безотрывного обучения ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ На тему:

Модернизация устройств контактной сети участка железной дороги «Негорелое — Городея» для скоростного движения Дипломант: Расич В.А.

Главный руководитель:

Коврига А.Н.

Гомель 2009

• Аннотация
• Введение
• 1. Анализ эксплуатационной надежности системы электроснабжения
• 1.1 Оценка надежности элементов системы электроснабжения
• 1.2 Исследование эксплуатационной надежности устройств электроснабжения
• 2. Анализ параметрической надежности участка электроснабжения электрифицированной железной дороги при скоростном движении
• 2.1 Общие сведения
• 2.2 Исходные данные для расчета участка
• 2.3 Тяговые расчеты исследуемого участка
• 2.4 Электрический расчет участка «Столбцы — Негорелое»
• 2.5 Электрический расчет участка «Городея — Столбцы» при существующей схеме электроснабжения
• 2.6 Электрический расчет участка «Городея — Столбцы» при измененной схеме электроснабжения
• 3. Повышение эксплуатационной надежности элементов системы тягового электроснабжения при переходе на скоростное движение
• 3.1 Модернизация струн контактной подвески
• 3.2 Модернизация изолированных консолей
• 3.3 Модернизация компенсированной совмещенной анкеровки проводов
• 4. Расчет экономической эффективности замены биметаллических струн на полимерные
• 5. Организационные и технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работающих
• 5.1 Категории выполняемых работ
• 5.2 Общие меры безопасности работающих при различных категориях работ
• 5.3 Организационные мероприятия по обеспечению безопасности работающих
• 5.4 Технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работающих
• Заключение
• Литература
• Перечень графических работ

Аннотация

В дипломном проекте рассматриваются вопросы модернизации устройств контактной сети участка железной дороги «Негорелое — Городея» для скоростного движения.

Дипломный проект состоит из пяти глав.

В первой главе производится анализ эксплуатационной надежности как системы электроснабжения в целом, так и отдельных ее элементов. Приведены результаты анализа надежности систем электроснабжения России и Беларуси за последние десять лет.

Во второй главе производится анализ параметрической надежности системы тягового электроснабжения исследуемого участка при его переводе на скоростное движение.

В третьей главе рассматриваются пути повышения эксплуатационной надежности элементов системы тягового электроснабжения при переходе на повышенные скорости движения.

В четвертой главе приводится расчет экономической эффективности модернизации струн контактной подвески.

В пятой главе рассматриваются организационные и технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работ на контактной сети.

В Республике Беларусь протяженность электрических железных дорог составляет 869 км (15,8% от общей протяженности железных дорог Беларуси). При этом подавляющее большинство железнодорожных линий в Республике Беларусь электрифицировано по системе переменного тока частотой 50 Гц — 843 км (97%).

Системы электроснабжения электрических железных дорог должны обеспечивать высокое качество электроэнергии и заданную степень надежности энергоснабжения тяговых и нетяговых потребителей при наиболее экономичных показателях работы. Это требование является основным при проектировании и эксплуатации систем энергоснабжения.

При переходе на скоростное движение к элементам системы тягового электроснабжения предъявляются повышенные требования, описанные в правилах. Следовательно, возникает необходимость исследования параметрической и эксплуатационной надежности системы электроснабжения в новых условиях.

Параметрическая надежность — вероятность того, что выходной параметр будет лежать в допустимых границах. В качестве основных параметров при анализе параметрической надежности участка тягового электроснабжения электрифицированной железной дороги приняты напряжение на токоприемнике, установленная мощность тяговой подстанции, нагрузочная способность по току контактной подвески. Устройства электроснабжения электрифицированных железных дорог находятся в сложном взаимодействии друг с другом и с электроподвижным составом. При одних и тех же размерах движения условия работы этих устройств в значительной степени зависят от конкретных реализаций графика движения поездов. Указанные обстоятельства не позволяют разработать достаточно точные аналитические зависимости, связывающие условия работы устройств электроснабжения с размерами движения и диаграммами поездных токов. В связи с этим важное значение приобретает такой метод исследования как компьютерное имитационное моделирование, являющееся наиболее эффективным средством для изучения процесса функционирования таких систем.

Переход на повышенные скорости движения требует немедленной разработки мероприятий по повышению надежности элементов системы тягового электроснабжения. В современных условиях нельзя оставить без внимания такой вопрос как применение полимерных материалов на контактной сети. Применение полимерных материалов на электрифицированных железных дорогах во многих случаях позволяет найти совершенно новые простые пути для решения сложных технических задач, связанных с повышением скорости движения поездов, повышением надежности работы устройств, снижением стоимости изготовления конструкций, монтажа и эксплуатации, повышением безопасности работ на контактной сети под напряжением, экономией дефицитных цветных металлов, продлением срока службы и улучшением внешнего вида конструкций контактной сети.

Для исследования выбран участок Белорусской железной дороги «Негорелое — Городея» (направление Барановичи — Минск). На данном участке в ближайшем будущем планируется организация движения с повышенными скоростями (до 160 км/ч). В связи с этим в данном дипломном проекте поставлена задача анализа надежности системы электроснабжения исследуемого участка и путей ее повышения при переходе на скоростное движение.

1. Анализ эксплуатационной надежности системы электроснабжения

1.1 Оценка надежности элементов системы электроснабжения

Система тягового электроснабжения (СТЭ) состоит из двух последовательных достаточно сложных подсистем — тяговых подстанций (ТП) и контактной сети (КС), содержащих большое количество оборудования, аппаратов, деталей, проводов и изделий, от нормального функционирования которых зависит работоспособность как подсистемы, так и системы в целом. При условии соблюдения правил, технических условий и требований других нормативных документов по эксплуатации, ревизии и ремонту, не допускающих наличия элементов, износ которых выше допустимого и размеры которых вышли за пределы допустимых норм, можно сформулировать следующие понятия надежности:

— надежность тяговой подстанции — свойство обеспечивать в расчетных режимах преобразование электрической энергии и питание контактной сети с отклонениями по напряжению в пределах установленных норм;

— надежность контактной сети — свойство обеспечивать передачу электроэнергии от тяговых подстанций к электроподвижному составу и нормальный токосъем при расчетных скоростях движения и любых атмосферных условиях (кроме стихийных бедствий) с минимальным износом контактных проводов и накладок токоприемника;

— надежность системы электроснабжения — суммарное понятие, включающее в себя как надежность тяговых подстанций, так и надежность контактной сети.

В системе электроснабжения по критериям надежности различают:

— устройства, не имеющие резерва, повреждения на которых, как правило, приводят к нарушению (прекращению или ограничению) в движении подвижных единиц. К этой группе относятся контактная сеть и сглаживающие устройства тяговых подстанций постоянного тока;

— устройства, не имеющие резерва, повреждения на которых требуют изменения условий эксплуатации или снижают общую надежность, — посты секционирования, пункты параллельного соединения, системы телеи дистанционного управления, аккумуляторные батареи, компенсирующие устройства;

— устройства, имеющие резерв, повреждения на которых, как правило, не вызывают нарушения движения, — оборудование тяговых подстанций, питающие фидеры контактной сети и т. п.

В ряде случаев повреждения в устройствах, относящихся к первой группе, могут не повлиять на движение подвижных единиц (отгорание шлейфа без касания заземленных частей, повреждения фиксаторов на прямом участке пути и т. д.); в то же время отдельные повреждения в устройствах второй и третьей групп иногда могут вызвать нарушение движения (короткое замыкание на выключателях фидеров, ложное отключение при неисправности системы телеуправления и т. п.).

Можно считать, что тяговые подстанции практически имеют 100%-ное резервирование, а контактная сеть не имеет резерва. Это обусловливает необходимость повышения надежности всех ее элементов и при возможности дублирования отдельных узлов, в первую очередь — токоведущих зажимов. Резервирование характерно тем, что оно позволяет повысить надежность системы по сравнению с надежностью составляющих ее элементов. Повышение надежности отдельно взятых элементов требует больших материальных затрат. В этих условиях резервирование, например, за счет введения дополнительных элементов является эффективным средством обеспечения требуемой надежности систем.

Контактная сеть и тяговые подстанции — восстанавливаемые системы, и после повреждения должны быть приведены в состояние, обеспечивающее их нормальное функционирование. Особенностью контактной сети является непрерывность ее нормального функционирования на всем протяжении электрифицированного участка.

Причины, вызвавшие повреждения, могут быть внезапными (пережог провода при коротком замыкании, перекрытие изоляторов при грозовых перенапряжениях и т. п.) и постепенными (износ контактного провода, ухудшение диэлектрических свойств трансформаторного масла, старение полимерных материалов, загрязнение изоляторов и т. д.). Возможны также случаи длительного или временного понижения надежности, которые не вызывают нарушения движения, но уменьшают коэффициент запаса.

Постепенное понижение надежности (повреждение одного из изоляторов в гирлянде, неисправность одного из фидерных выключателей при наличии резервного и т. п.) вызывает необходимость вмешательства ремонтного персонала, для того чтобы оно не развилось в повреждение. Этот персонал выполняет работы в возможный по условиям движения промежуток времени. Временное понижение надежности (незначительное увлажнение трансформаторного масла, ликвидируемое силикагелевым фильтром, временный повышенный нагрев электрооборудования и т. п.) является самовосстанавливающимся и вмешательства обслуживающего персонала не требует.

По характеру работы устройства электроснабжения могут быть разбиты также на три группы:

а) постоянно работающие — контактная сеть и силовое оборудование тяговых подстанций;

б) дежурные — устройства защиты, телеуправления, управления оборудованием тяговых подстанций и сигнализация;

в) запасные — оборудование тяговых подстанций, находящееся в резерве.

Дежурные устройства находятся в режиме ожидания и должны быть готовы в любой момент к выполнению своих функций. Запасные устройства также должны быть готовы в любой момент заменить работающие.

Элементная надежность может быть определена при полевых или лабораторных испытаниях натуральных образцов или моделей с искусственно создаваемыми режимами нагрузок и внешними условиями. Оценив элементную надежность, можно определить сроки службы, износоустойчивость, установить необходимую периодичность ремонтов и наметить пути дальнейшего совершенствования конструкции. С точки зрения бесперебойной эксплуатации электрифицированных линий задача формулируется однозначно — путем повышения надежности всех элементов (в пределах установленных межремонтных сроков), резервирования, автоматизации и других мер должна быть обеспечена при всех условиях и всеми возможными способами жизнеспособность системы электроснабжения в целом.

Чтобы оценить надежность системы электроснабжения и разработать мероприятия по ее повышению, необходимо учитывать и анализировать все повреждения независимо от того, привели они к нарушению движения подвижных единиц или нет. Рассматривать только повреждения, повлиявшие на движение (т. е. вызвавшие отказы), неправильно, так как это не позволит дать объективную оценку надежности. Как показывает опыт эксплуатации, одно и то же по характеру и по причинам возникновения повреждение в зависимости от конкретных условий может по-разному отразиться на движении подвижных единиц.

К числу повреждений не относятся плановые работы по ревизиям, регулировке, замене нормально изношенных элементов и т. п., работы, выполняемые в «окна», с прекращением движения, а также прекращение питания контактной сети на время срабатывания защиты или устройств автоматики и оперативных переключений. В дальнейшем, как наиболее привычный, применяется только термин повреждение.

Оценивать системную надежность необходимо по числу повреждений, отнесенному к определенному измерителю (удельное число повреждений); за определенный период времени это соответствует понятию параметр потока отказов.

Параметр потока отказов многоэлементной системы, какой является система электроснабжения, в течение времени ее работы распределяется следующим образом (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 — Распределение потока отказов л во времени

В период приработки (зона I) наблюдается повышенное число отказов, обусловленных дефектами материалов, оборудования, недостатками монтажа и другими причинами (приработочные отказы).

Период нормальной работы (зона II) характеризуется наименьшим и приблизительно постоянным числом отказов. В период нормальной эксплуатации на объект воздействуют случайные факторы, которые вызывают внезапные отказы, интенсивность которых в данный период не зависит от времени.

В период старения и износа (зона III) число отказов возрастает; это вызывается износом деталей, старением и усталостью, особенно изоляционных и полимерных материалов, коррозией, загрязнением и другими подобными причинами (кривая I). В этот период в основном имеют место постепенные отказы, возникающие вследствие накопления ухудшений физико-химических свойств объекта.

Для основных элементов системы электроснабжения период приработки длится 3−5 лет. Процессы старения и износа проявляются для трансформаторов и контактной сети — через 20−30 лет после ввода в эксплуатацию (в первую очередь за счет старения изоляции). Старение и износ коммутационной аппаратуры наступает через 40−50 лет. Обычно эта аппаратура морально устаревает раньше, нежели физически. В основном элементы СЭС высоконадежны. Время их безотказной работы значительно превышает время восстановления.

Своевременная замена изношенных или потерявших свои качественные и прочностные характеристики аппаратов, узлов, проводов и других изделий, выполнение в установленные сроки ремонтных работ при высоком качестве и соблюдение правил эксплуатации исключают переход в зону III и обеспечивают нормальную работу устройств независимо от срока службы системы (кривая 2). Модернизация, внедрение в процессе эксплуатации элементов новой техники, более стойких и долговечных материалов приводят к повышению надежности и снижению отказов в зонах II и III (кривая 3).

Улучшение контроля за выполнением строительно-монтажных работ, повышение качества материалов и оборудования, более тщательная проверка устройств при вводе в эксплуатацию приводят к уменьшению числа повреждений и в зоне I (кривая 4). По мере совершенствования устройств электрической тяги для каждой последующей электрифицированной линии кривая л (t) в зонах II и III должна располагаться ниже, чем для участков, находящихся в эксплуатации.

Необходимо, чтобы для всех элементов тяговых подстанций и контактной сети время работы без повреждений было больше межремонтного периода, среднее время восстановления было минимальным, межремонтные периоды и сроки службы систематически возрастали.

Как показал анализ, при вводе в эксплуатацию новых электрифицированных участков в течение периода приработки может в целом по сети железных дорог несколько увеличиться общее и удельное количество повреждений.

Параметр потока отказов контактной сети или подстанции в период нормальной работы (зона II) является суммой параметров потока отказов отдельных укрупненных узлов, т. е. лсист = Улузл.

Выдвигался ряд предложений по выбору показателя надежности: по контактной сети — число повреждений на развернутую длину, на число проходов токоприемников, на анкерный участок или на удельное электропотребление; по тяговым подстанциям — число повреждений на одну подстанцию, на количество преобразованной электроэнергии и т. п.

Объективный показатель надежности контактной сети должен быть в первую очередь увязан с главным требованием, предъявляемым к транспорту, — обеспечение бесперебойности движения подвижных единиц, т. е. он должен давать оценку работоспособности системы в целом. По мнению большинства специалистов, наиболее целесообразно принять за измеритель для контактной сети 100 км развернутой длины, а для подстанций — одну подстанцию. Этот показатель как в целом для контактной сети или тяговой подстанции, так и для их основных узлов может служить основой для всесторонней оценки надежности и разработки мероприятий по совершенствованию системы электроснабжения. При этом измерителе по сравнению с другими значительно упрощается обработка статистических данных и становится наиболее наглядной оценка надежности.

Правильно ли принимать в качестве измерителя развернутую длину контактной сети? С одной стороны, действительно, отдельные виды повреждений зависят не только от протяженности (числа элементов), но и от размеров движения и связанных с ними удельным электропотреблением, тяговыми нагрузками и числом проходов токоприемников. К таким повреждениям можно отнести: пережоги проводов над токоприемниками и на сопряжениях и секционных изоляторах, а также в токопроводящих зажимах; часть ветровых повреждений при взаимодействии токоприемников с контактной сетью; повреждения, вызванные сходами с рельсов подвижного состава, негабаритными грузами, развалом груза и т. п. В общем количестве эти зависящие от размеров движения виды повреждений составляют 26−30%, но и они в ряде случаев происходят из-за допущенных отступлений от норм содержания контактной сети, электроподвижного состава или других устройств.

На тяговых подстанциях размеры движения (токовые нагрузки) могут сказаться только на повреждении выключателей фидеров, питающих контактную сеть. На основании анализа данных за ряд лет была сделана попытка установить наличие зависимости (корреляционной связи) между числом повреждений тяговых подстанций и удельным электропотреблением (нагрузками), а также между числом повреждений контактной сети и числом проходов токоприемников и удельным электропотреблением. Тщательное изучение этого вопроса показало, что какой-либо устойчивой закономерности здесь не обнаруживается. При одних и тех же грузонапряженности или электропотреблении или при одинаковом числе проходов токоприемников удельное количество повреждений оказывается резко различным.

Некоррелированный характер имеет также распределение повреждений контактной сети и тяговых подстанций, отнесенных к электропотреблению (токовым нагрузкам).

С другой стороны, существует прямая связь между числом повреждений контактной сети и условиями погоды (выдувание и поджатие контактных проводов, опрокидывание фиксаторов, пережоги при гололеде и изморози и др.). Однако этот фактор непосредственно связан с протяженностью (развернутой длиной) контактной сети. Исследования динамики изменения удельного числа повреждений привели к следующим выводам:

— надежность контактной сети на участках с тяжелым, особенно горным, профилем ниже, чем на равнинных;

— надежность тяговых подстанций постоянного тока ниже, чем подстанций переменного тока (без учета повреждений компенсирующих устройств); более сложные подстанции постоянного тока, трудовые затраты на ремонт которых приблизительно на 30% выше, чем на подстанциях переменного тока, имеют и несколько большее число повреждений. Сказывается также и то, что масляные выключатели фидеров переменного тока работают более устойчиво, чем даже сдвоенные быстродействующие выключатели;

— надежность контактной сети постоянного тока выше, чем контактной сети переменного тока, хотя она сложнее и затраты труда на ее ремонт на 20−25% выше, чем на переменном токе.

На основании опыта эксплуатации системы электроснабжения можно сформулировать следующие общие положения:

— при гололедах, сильных ветрах и низких (менее -25—30°С) температурах надежность системы понижается;

— повышение квалификации обслуживающего персонала и применение методов инструментального контроля увеличивают надежность;

— чем больше размеры движения (больше число проходов токоприемников), тем менее надежна система;

— по мере совершенствования оборудования, конструкции узлов и деталей надежность их должна повышаться.

Ниже выполнен анализ элементной надежности системы электроснабжения по следующим основным узлам:

— контактная сеть — контактные провода, несущие тросы и другие провода, изоляторы, опорные конструкции, узлы фиксации, прочие узлы и детали;

— тяговые подстанции — трансформаторы, выключатели, разрядники, сглаживающие, компенсирующие и прочие устройства;

— устройства электроснабжения системы централизованной блокировки (СЦБ).

1.2 Исследование эксплуатационной надежности устройств электроснабжения

В данном разделе на основании статистических данных по России и Беларуси за последние 10 лет проведен анализ эксплуатационной надежности основных элементов системы электроснабжения.

Опыт эксплуатации устройств электроснабжения пока еще является единственной базой для анализа системной надежности, определения роли случайных воздействий, установления статистических закономерностей в возникновении повреждений, а также для проверки различных гипотез о механизме старения, для оценки износоустойчивости, влияния внешних факторов и климатических условий. Нет методов, позволяющих, используя данные о надежности отдельных деталей, узлов и аппаратов (элементная надежность), определить надежность всей системы в целом. Это объясняется многообразием не связанных друг с другом факторов, влияющих на совместную работу узлов и аппаратов.

В последние годы надежность системы электроснабжения железнодорожного транспорта и состояние безопасности движения поездов в хозяйстве определяет не имеющая резервирования контактная сеть — удельный вес браков из-за отказов контактной сети достиг 90%, хотя в 1995 году он был на уровне 76% (таблица 1.1).

Таблица 1.1

Средний удельный вес браков по основным устройствам электроснабжения

Представляет интерес распределение браков в работе системы электроснабжения по месяцам за последние 7 лет (рисунок 1.2). Наибольшее число браков в работе системы электроснабжения приходится на июль, наименьшее — на февраль. Это объясняется влиянием климатических факторов и нагрузок от движения подвижных единиц. Число браков в летние месяцы составляет почти 1/3 от всех браков за год в хозяйстве энергоснабжения, точнее 32,2%. Количество отказов в июне, июле, августе, ноябре и декабре составляют больше половины годовых отказов.

Рисунок 1.2 — Распределение браков в работе системы электроснабжения по месяцам Динамика удельной повреждаемости устройств электроснабжения за последние 7 лет приведена в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Динамика удельной повреждаемости устройств электроснабжения

Из данных таблицы 1.2 видим, что удельная повреждаемость контактной сети имела тенденцию к снижению, однако в последние годы резко возросла. Причины этого явления анализируются ниже. Удельная повреждаемость устройств СЦБ резко изменяется от года к году, а удельная повреждаемость тяговых подстанций остается практически неизменной.

Приведем основные причины повреждений в хозяйстве электроснабжения и их динамику за последние 3 года по данным Белорусской железной дороги (таблица 1.3). По данным таблицы видим, что наибольшее число повреждений происходит по причине повреждения кабелей, изоляции, плохих погодных условий.

Таблица 1.3

Причины повреждений в хозяйстве электроснабжения

Как было отмечено ранее, на контактную сеть приходится 90% всех отказов в системе электроснабжения. Поэтому основное внимание при анализе эксплуатационной надежности системы уделяется именно элементам контактной сети.

Основные эксплуатационные показатели работы контактной сети приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4

Основные эксплуатационные показатели работы контактной сети

Удельная повреждаемость на 100 км развернутой длины контактной сети увеличилась на 12,8%, в т. ч. по вине хозяйства на 17,1%.

На участках электрифицированных на постоянном токе с 2001 г. наметилась стабилизация удельной повреждаемости устройств.

Удельная повреждаемость контактной сети постоянного тока последние годы была стабильна, однако в 2003 г. произошел резкий рост удельной повреждаемости с 0,97 до 1,34 на 100 км развернутой длины контактной сети из-за роста количества случаев пережога проводов при увеличении токовых нагрузок, разрушения стержневых старотипных изоляторов, зажимов низкой надежности и других причин.

Для анализа надежности контактной сети представляет интерес распределение повреждений по месяцам — в процентах от общего числа за год (рисунок 1.3). В зависимости от условий погоды число повреждений по временам года может меняться, но, учитывая, что контактная сеть в соответствии с Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) должна обеспечивать бесперебойный токосъем в любых атмосферных условиях, наиболее тщательно необходимо анализировать опыт эксплуатации ее в зимние месяцы и в грозовой сезон.

Число повреждений контактной сети изменяется циклически в течение года. Наибольшее число отказов приходится на июнь, наименьшее — на октябрь. Это объясняется влиянием климатических факторов и нагрузок от движения подвижных единиц. Интенсивность отказов различных элементов контактной сети в различной степени изменяется в течение года.

Рисунок 1.3 — Распределение повреждений контактной сети по месяцам Повреждения контактной сети по причине их возникновения можно разделить на три группы:

— непосредственно связанные с контактной сетью, вызванные недостатками проектирования и монтажа, дефектами конструкций, узлов и деталей, низким качеством материалов, условиями погоды, неудовлетворительным содержанием, неправильными действиями обслуживающего персонала и нарушением правил ремонта;

— вызванные неисправностями токоприемников, повреждениями на электроподвижном составе (как правило, короткие замыкания);

— вызванные прочими причинами (сходы с рельсов, развал грузов, стихийные бедствия и т. п.).

Число повреждений, соответствующее каждой из этих групп, обозначим n_кс, n_эпс, n_пр. Тогда число повреждений контактной сети как системы n_сист

(1.1)

Обслуживающий персонал участков энергоснабжения может непосредственно влиять на значение n_кс. Величина n_эпс зависит от качества обслуживания и совершенства токоприемников, от надежности подвижного состава. На показатель n_пр можно влиять только косвенно: повышать контроль за соблюдением правил и инструкций, создавать дополнительные сигнальные и защитные системы, а также принимать административные и дисциплинарные меры.

Распределение повреждений по основным элементам контактной сети за последние годы приведены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 — Распределение повреждений по основным элементам контактной сети Удельное число повреждений на станциях выше, чем на перегонах, что объясняется более сложной конструкцией контактной сети на станциях, большим числом ЭПС, маневровой работой, частыми троганиями и т. д. На станциях значительно меньше повреждений, вызванных метеорологическими условиями, так как контактная сеть на них лучше защищена от ветра и по конструкции более ветроустойчива, чем на перегонах.

Наибольшее количество повреждений приходится на контактный провода, а на участках переменного тока — на изоляторы. К наибольшему ущербу в движении поездов приводят повреждения опор, а затем — повреждения контактных проводов.

Основные причины отказов устройств контактной сети:

— рост старения основных фондов, наличия в эксплуатации недостаточной надежности старотипных опор, оборудования, арматуры и других изделий;

— низкое качество содержания устройств контактной сети эксплуатационным персоналом;

— недостаточный уровень квалификации эксплуатационного персонала.

Значительное количество повреждений контактной сети происходит при гололедах, сильных ветрах, грозах, низких температурах или резких перепадах температур. Наиболее неблагоприятные условия для контактной сети — сочетание гололеда с ветром, а также резкое понижение температуры. В зависимости от погодных условий наиболее часто выходят из строя фиксирующие устройства (ветер), контактные провода (гололеды, автоколебания и ветер), усиливающие провода и линии электропередач (гололед, ветер, низкие температуры и автоколебания). Удельное число повреждений контактной сети, вызванных метеорологическими условиями, за последние годы составляет около 50% общего их количества. Распределяются они по видам (в%) следующим образом:

— выдувание контактного провода в пролете 39%

— поджатие контактного провода токоприемником к основному стержню и повреждение фиксаторного узла13%

— захват полозом анкерной ветви16%

— опрокидывание (раскрытие) фиксаторов5%

— прочие (излом изоляторов из-за увеличения механических нагрузок, дефектная резьба, дефекты деталей, «грозовые» перекрытия и др.)27%

Доля отказов контактной сети по проводам, тросам и струнам составляет 33,2% от общего количества повреждений на контактной сети.

Доля пережогов проводов в общем числе повреждений контактной сети возрастает; около 50% их на участках постоянного и 25% на участках переменного тока происходит над токоприемниками. Пережоги и обрывы контактных проводов и несущих тросов в большинстве случаев вызывают значительные повреждения контактной сети, особенно если они сопровождаются изломами токоприемников. На восстановление таких повреждений затрачивается 2,5−3 ч, что приводит к большим задержкам в движении поездов. Повреждения проводов, подвешенных на опорах контактной сети, в отдельных случаях (при захлестывании на цепную подвеску) также вызывают нарушение движения поездов.

Распределение повреждений остальных проводов, кроме контактных, в процентах от общего количества, приведено в таблице 1.5.

Таблица 1.5

Распределение повреждений проводов

Основными причинами пережогов и обрывов проводов являются:

повышенный нагрев питающих или соединительных зажимов вследствие ухудшения контакта;

перекрытия и пробои изоляторов;

соприкосновение заземленных частей;

местные нагревы (соприкосновение проводов);

короткие замыкания на электроподвижном составе;

потеря или ухудшение контакта полоз — провод (обледенение, загрязнение, отклонение характеристик, загрязнение, отклонение характеристик токоприемников от нормативных);

замыкание полозом токоприемника изолирующих сопряжений при остановке электроподвижного состава (перетекание тока через полоз);

подъем и опускание токоприемников под нагрузкой;

въезд на отключенный или заземленный участок;

местный повышенный износ контактного провода и тросов в результате трения в местах касания;

дефекты стыковок;

усталость материала, коррозия стальных тросов;

дефекты проводов (низкое качество пайки, раковины, механические повреждения и пр.).

Помимо этого, обрывы проводов могут быть вызваны рядом внешних причин, например падением опор, разрушением консолей или других поддерживающих конструкций и пр.

Повреждения опор контактной сети происходят достаточно редко (1,4% от всех повреждений КС), однако они приводят к наибольшему ущербу в движении подвижных единиц. Следует отметить, что менее 5% повреждений опор зависят от условий эксплуатации и качества их установки (коррозия, неправильная установка лежней и т. п.), остальные же вызваны внешними причинами (наезды, развал груза, сходы вагонов, недосмотры при работе путевых машин, снегоочистителей и пр.).

Повреждения изоляторов составляют значительную часть (21,3%) всех повреждений устройств контактной сети. К повреждениям изоляторов отнесены все случаи, вызвавшие отключение контактной сети с неуспешным автоматическим повторным включением (АПВ), и разрушения изоляторов без короткого замыкания, вызвавшие прекращение движения или необходимость опускания токоприемника ЭПС.

Анализируя данные об удельном числе повреждений изоляторов на 100 км развернутой длины контактной сети, включая изоляторы разъединителей, разрядников, секционные изоляторы и др. за последние 8 лет можно отметить, что на участках переменного тока из-за меньшего коэффициента электрического запаса удельное число повреждений значительно больше, чем на участках постоянного тока. Наибольшее число повреждений приходится на изоляторы фиксаторов и на секционные изоляторы.

Для оценки работы изоляции представляет интерес распределение повреждений по месяцам (рисунок 1.5).

Надежность изоляторов разъединителей и секционных изоляторов на порядок ниже, чем в других узлах контактной сети. Как уже указывалось, число повреждений изоляторов на станциях, особенно на участках переменного тока, несколько выше, чем на перегонах, из-за большей возможности загрязнения.

Рисунок 1.5 — Распределение повреждений изоляторов по месяцам Перекрытия и пробои изоляторов (электрические повреждения) вызываются:

атмосферными перенапряжениями;

загрязнениями поверхности;

ионизацией воздуха вблизи изоляторов;

разрушением фарфора внутри шапок тарельчатых изоляторов;

внешними факторами, т. е. попаданием посторонних предметов;

отключением разъединителей под нагрузкой;

наледями, птицами и т. п.

По механическим причинам (удары, увеличенные нагрузки и пр.) разрушаются в основном стержневые изоляторы фиксаторов и консолей и изоляторы разъединителей (при включении). Значительное количество изоляторов повреждается при сильных ветрах из-за увеличенных механических усилий.

Повышение надежности (уровня) изоляции необходимо для уменьшения числа поверхностных перекрытий, особенно при грозовых перенапряжениях, которые, как правило, не приводят к разрушению изоляторов, но вызывают отключение контактной сети. Даже кратковременное отключение в отдельных случаях может привести к нарушениям в движении подвижных единиц.

Секционные изоляторы являются одним из наименее надежных, но в то же время ответственных узлов контактной сети. Повреждения секционных изоляторов вызываются двумя причинами: механическими и электрическими. Повреждения, вызванные механическими причинами, происходят главным образом в результате неправильной регулировки, ослабления креплений, дефектов материала и ударов по фарфоровым элементам.

Удельное число повреждений секционных изоляторов (на 100 км развернутой длины контактной сети на станциях) на постоянном токе значительно ниже, чем на переменном. Меньшая надежность секционных изоляторов на участках переменного тока объясняется бульшим временем срабатывания защиты при выезде на заземленный участок, большей разностью напряжения, которая может быть на смежных секциях, и, как следствие, более мощной дугой. При угольных вставках удельное число повреждений секционных изоляторов в 1,5 раза больше, чем при медных и металлокерамических.

Оценивая приведенные данные и учитывая условия работы и эксплуатации контактной сети, следует признать, что основными вопросами, которые следует решить для повышения ее надежности и снижения трудовых затрат на обслуживание, являются следующие:

нагрев проводов и зажимов, состояние арматуры и фундаментных частей железобетонных опор, качество подхвата проводов на стрелках и сопряжениях;

исключение болтовых зажимов и креплений, в первую очередь на токоведущих элементах;

совершенствование методов соединения (стыкования) проводов, установка электрических шунтов;

дублирование токоведущих зажимов, натяжных и фиксирующих элементов, т. е. их резервирование;

типизация узлов для упрощения монтажа и повышения ремонтопригодности, применение узловой замены;

ударостойкость и вибрационная стойкость элементов, в первую очередь изоляторов;

оптимизация распределения тока между проводами, полное «электрическое» использование материала проводов.

Бесперебойное движение поездов на электрифицированных линиях зависит также от обеспечения нормальной совместной работы контактной сети и токоприемников, которые должны иметь заданные характеристики и строго соответствовать правилам эксплуатации и ремонта. Наиболее уязвимыми элементами контактной сети, где чаще всего происходят нарушения нормального токосъема и, как следствие этого, повреждения, являются воздушные стрелки всех видов, все виды сопряжений (места подхвата), секционные изоляторы, узел фиксации (особенно на кривых малого радиуса). Перечисленные узлы необходимо особенно тщательно обслуживать, регулировать, систематически контролировать, соблюдая установленные правила и нормы.

Далее рассмотрим эксплуатационную надежность остальных устройств системы электроснабжения.

Распределение повреждений по основным элементам устройств электроснабжения СЦБ за последние годы приведены на рисунке 1.6.

В последние годы увеличилось число повреждений оборудования пунктов питания на 8,6%, высоковольтных предохранителей на 7,4%, изоляторов на 7%, разъединителей на 3,8% и деревянных опор на 2,9%.

Количество повреждений устройств электроснабжения СЦБ по вине дистанций электроснабжения по сети дорог снизилось на 4,5%.

Основные эксплуатационные показатели работы тяговых подстанций приведены в таблице 1.6.

Рисунок 1.6 — Распределение повреждений по основным элементам устройств электроснабжения СЦБ Таблица 1.6

Основные эксплуатационные показатели работы тяговых подстанций

Распределение повреждений по основным элементам тяговых подстанций за последние годы приведены на рисунке 1.7.

Увеличилось число отказов по причине нарушения изоляции токоведущих цепей. Возросло число отказов устройств телемеханического управления, что связано, в первую очередь, с неудовлетворительным состоянием каналов связи. В минувшем году резко увеличилось число выходов из строя фидерных выключателей. Очень много отказов отнесено на прочие устройства, что говорит о недостаточном уровне разбора повреждаемости оборудования со стороны ЭЧ и служб. Особое беспокойство вызывает увеличение случаев аварийного отключения тягового электроснабжения из-за срабатывания релейных защит по перегрузке фидеров контактной сети.

Рисунок 1.7- Распределение нарушений нормальной работы в % устройств тяговых подстанций по типам оборудования Нарушения нормальной работы оборудования тяговых подстанций по причинам их возникновения за последние десять лет распределяются следующим образом:

— недостатки в эксплуатации и ремонте 26,0%

— конструктивные недостатки, дефекты завода-изготовителя 12,0%

— старение, износ, коррозия 10,0%

— неисправность вспомогательного оборудования (например, привода выключателя) 9,9%

— перегрузка 9,7%

— метеоусловия 9,2%

— негодность по результатам профилактических испытаний 9,0%

— неисправность электроподвижного состава 4,3%

— причина не установлена 4,1%

— неудовлетворительное состояние контактной сети 3,5%

В отличие от контактной сети на тяговых подстанциях основное и большинство вспомогательного оборудования резервируется. Не имеют резерва только аккумуляторная батарея и сглаживающие устройства. В случае повреждения автоматически или оперативным персоналом включается резервный агрегат (аппарат), и питание контактной сети не прекращается или прерывается на ограниченный промежуток времени. Так как питание подстанций от энергосистем также резервируется, то случаи, когда подстанция отключается полностью и на достаточно длительный период, редки.

Опыт эксплуатации показал, что полное отключение подстанции происходит главным образом вследствие неправильных действий эксплуатационного персонала или при отказе защиты (систем защиты), когда повреждение сразу не локализуется, а развивается, особенно если при этом нарушаются цепи управления. Продолжительность перерывов в движении поездов из-за повреждения тяговых подстанций составляет всего 3% общего числа задержек, вызванных неисправностью устройств электроснабжения.

Как показывает анализ, на тяговых подстанциях постоянного тока удельное число повреждений по сравнению со среднегодовым увеличивается в грозовой период на 25−35% и снижается на 15−20% в зимние месяцы.

Большое число повреждений относится к коммутационным электрическим аппаратам (автоматические выключатели, разъединители, короткозамыкатели, отделители). Их отказы происходят при отключении коротких замыканий, выполнении ими различных операций, а также в стационарном состоянии.

Основная причина повреждений коммутационных аппаратов — механические повреждения, связанные с несовершенством конструкции, нарушением технологии изготовления или правил эксплуатации. Среди них следует выделить дефекты контактных соединений, неполадки в электроприводе, повреждения из-за ошибочных действий персонала, а также отказы при выполнении операций включения из-за некачественной регулировки, настройки или вследствие обледенения.

Электрические повреждения коммутационных аппаратов вызываются перекрытием изоляции при внешних и внутренних перенапряжениях, пробоем внутрибаковой изоляции выключателей и пр.

Такой вид оборудования как силовые трансформаторы повреждается значительно реже, чем линии электропередачи, однако его отказ ведет к более тяжким последствиям, и восстановление работоспособности требует длительного времени.

Основные причины повреждения силовых трансформаторов:

— повреждение изоляции обмоток трансформатора из-за дефектов конструкции и изготовления, а также от воздействия внешних перенапряжений в сети и токов короткого замыкания;

— повреждение переключателей (в основном регулируемых под нагрузкой), обусловленное конструктивными и технологическими дефектами;

— повреждение вводов, в основном при воздействии внешних перенапряжений в сети (перекрытие внешней или внутренней изоляции, механические повреждения, некачественные контактные соединения).

Основные способы повышения надежности эксплуатации трансформаторов:

— тщательная приемка в эксплуатацию с выполнением контрольных испытаний;

периодические осмотры и проверки в процессе эксплуатации с соблюдением требуемых сроков и объема испытаний;

соблюдение режимов работы трансформаторов, не допускающих значительной перегрузки в течение длительного времени;

— установка в сети средств снижения мощности коротких замыканий (реакторов) и величины перенапряжений (разрядников).

2. Анализ параметрической надежности участка электроснабжения электрифицированной железной дороги при скоростном движении

2.1 Общие сведения

Системы электроснабжения электрических железных дорог должны обеспечивать высокое качество электроэнергии и заданную степень надежности энергоснабжения тяговых и нетяговых потребителей при наиболее экономичных показателях работы. Это требование является основным при проектировании и эксплуатации систем энергоснабжения.

Параметрическая надежность — вероятность того, что выходной параметр будет лежать в допустимых границах. В качестве основных параметров при анализе параметрической надежности участка тягового электроснабжения электрифицированной железной дороги приняты напряжение на токоприемнике, установленная мощность тяговой подстанции, нагрузочная способность по току контактной подвески.

Определить условия, которые могут складываться на том или ином проектируемом или эксплуатируемом участке, и проанализировать надежность системы электроснабжения участка можно с помощью специальных расчетов, которые обязательно выполняют при разработке первоначального проекта электрификации участка и в период эксплуатации при изменении размеров движения и расчетной массы поезда (поверочные расчеты), а также при разработке проекта усиления системы электроснабжения действующего участка железной дороги.

Устройства электроснабжения электрифицированных железных дорог находятся в сложном взаимодействии друг с другом и с электроподвижным составом. При одних и тех же размерах движения условия работы этих устройств в значительной степени зависят от конкретных реализаций графика движения поездов. Указанные обстоятельства не позволяют разработать достаточно точные аналитические зависимости, связывающие условия работы устройств электроснабжения с размерами движения и диаграммами поездных токов. В связи с этим важное значение приобретает такой метод исследования как компьютерное имитационное моделирование, являющееся наиболее эффективным средством для изучения процесса функционирования таких систем.

Под имитационным моделированием понимается проведение на ЭВМ численных экспериментов с математической моделью, описывающей поведение сложной системы в течение периода времени заданной продолжительности. Математическая модель, преобразованная в моделирующий алгоритм, приближенно воспроизводит на ЭВМ функционирование во времени сложной системы, причем имитируются элементарные явления процесса, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени, непосредственно воспроизводятся все основные связи между отдельными устройствами реальной системы. Поэтому проведение расчета на такой модели (вычислительного эксперимента) эквивалентно натурному эксперименту на реальном объекте. Таким образом, в данном дипломном проекте для анализа параметрической надежности системы тягового электроснабжения исследуемого участка применяется метод имитационного моделирования.

2.2 Исходные данные для расчета участка

Участок Белорусской железной дороги «Городея — Негорелое» состоит из участка, электрифицированного по системе 2×25 кВ («Городея — Столбцы»), и участка, электрифицированного по системе 1×25 кВ («Столбцы — Негорелое»).

Участок «Городея — Столбцы» питается от тяговой подстанции «Городея». На ней установлены четыре однофазных трансформатора ОРДНЖ-16 000 / 110−76У1 (2×16 МВ•А), параметры которого приведены в таблице 2.1. Исследуемый участок питают два трансформатора, один из которых находится в резерве.

Таблица 2.1

Параметры тягового трансформатора ОРДНЖ-16 000 / 110−76У1:

Анцапфы трансформатора включены таким образом, что напряжение между контактным проводом и рельсами в режиме холостого хода устанавливается равным 28 кВ, между питающим проводом и рельсом — 28 кВ.

Схема питания участка «Городея — Столбцы» имеет вид, показанный на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Схема питания участка «Городея — Столбцы»

Участок «Столбцы — Негорелое» питается от тяговой подстанции «Колосово», расположенной в середине участка. На ней установлены два трехфазных трансформатора ТДТНЭ-25 000 / 110, параметры которого приведены в таблице 2.1. Напряжение между контактным проводом и рельсами в режиме холостого хода устанавливается равным 28 кВ

Таблица 2.2

Параметры тягового трансформатора ТДТНЭ-25 000 / 110:

Для определения режима работы оборудования при повышенных скоростях движения необходимо определить загрузку тяговых подстанций и автотрансформаторных питающих пунктов (АПП), а также рассчитать уровень напряжения на токоприемниках электроподвижного состава (ЭПС).

Исходными данными для расчета являются сведения о размерах движения на участках (таблица 2.3) и приведенный спрямленный профиль участков (таблица 2.4).

Таблица 2.3

Сведения о размерах движения

Таблица 2.4

Приведенный спрямленный профиль участков «Городея — Столбцы» и «Столбцы — Негорелое»