Электромагнитная совместимость системы тягового электроснабжения и аппаратуры рельсовых цепей при воздействии через питающие и сигнальные цепи

Актуальность исследования

Системы интервального регулирования и электрической централизации на железных дорогах являются основными по обеспечению безопасности движения на перегонах и станциях соответственно. В качестве датчиков информации о местонахождении подвижного состава, занятости участка железной дороги и целостности рельсовой линии эти системы используют рельсовые цепи.

Работа рельсовых цепей (РЦ) основана на использовании сигнальных токов, передающихся между приемником и передатчиком по рельсовой линии: сигнал может быть как постоянного, так и переменного тока в различных частотных диапазонах. В то же время, на электрифицированных железных дорогах рельсы являются обратным проводником тягового тока: ток от электроподвижного состава (ЭПС) возвращается на тяговую подстанцию (ТП) через рельсы. Таким образом, если в тяговом токе присутствуют помехи на частоте сигнального тока рельсовых цепей, то они могут оказывать мешающее и опасное влияние на аппаратуру РЦ через сигнальные цепи. Аппаратура РЦ получает электроэнергию от фидеров ТП через высоковольтную линию электроснабжения устройств сигнализации, централизации и блокировки (BJIСЦБ), при этом, некачественная электроэнергия также может оказывать мешающее влияние на работу аппаратуры РЦ. Таким образом, аппаратура РЦ работает в условиях воздействия электромагнитных помех, созданных системой тягового электроснабжения (СТЭС) и ЭПС, и проникающих через питающие и сигнальные цепи.

Согласно статистическим данным, на всей сети Российских железных дорог в 2006 году по вине службы электроснабжения (Э) был допущен 871 отказ рельсовых цепей (20% от всех отказов устройств железнодорожной автоматики по вине службы Э), общая продолжительность которых составила 1250 часов 49 минут. Основной причиной отказов рельсовых цепей была некачественная электроэнергия в линиях ВЛ СЦБ. В 2006 году также был зафиксирован ряд отказов по причине асимметрии тяговых токов в рельсах, которые повлекли за собой проникновение в приемную аппаратуру РЦ через сигнальные цепи токов помехи, превышающих допустимый уровень.

Для того, чтобы снизить количество отказов рельсовых цепей, необходимо установить причину превышения установленных норм по качеству электроэнергии и величине токов помехи в рельсах, и определить источники электромагнитных помех (ЭМП) через питающие и сигнальные цепи. Экспериментально проанализировать электромагнитные процессы, происходящие в цепях СТЭС и ЭПС достаточно сложно и дорого, поэтому для исследований электромагнитных процессов была разработана имитационная модель, которая позволяет моделировать электромагнитные процессы при различных параметрах СТЭС, измерять любые электрические параметры в любой точке цепей ТП, ЭПС и тяговой сети. На основе полученных данных была оценена степень электромагнитного влияния тягового тока на качество электрической энергии в цепях электропитания аппаратуры РЦ и величина помех, возникающих в сигнальных цепях аппаратуры РЦ.

По определению, электромагнитной совместимостью (ЭМС) технических средств называется способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке (ЭМО) и не создавать недопустимых электромагнитных помех (ЭМП) другим техническихм средствам [1]. Принимая во внимание сказанное выше, обеспечение электромагнитной совместимости системы тягового электроснабжения и аппаратуры рельсовых цепей является важной научно-технической задачей, решение которой предлагается в данной работе.

Актуальность данной диссертации заключается в том, что она посвящена изучению электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств и систем, которые непосредственно влияют на безопасность движения поездов. Исследование, проведенное в работе, позволило определить причины электромагнитных помех, разработать меры по их снижению, что должно привести к уменьшению количества отказов рельсовых цепей и, следовательно, повышению безопасность движения поездов.

Цель и задачи диссертационной работы

Цель работы — определить условия работы и параметры системы тягового электроснабжения, при которых возникают наибольшие электромагнитные помехи на аппаратуру рельсовых цепей, проникающие через питающие и сигнальные цепи, разработать методику оценки электромагнитной совместимости и предложить меры для снижения электромагнитного воздействия.

Для достижения цели в работе были решены следующие задачи:

• выбраны критерии оценки уровня ЭМП через питающие и сигнальные цепи аппаратуры РЦ;

• разработана имитационная модель СТЭС (включающая ТП, тяговую сеть (ТС) и ЭПС) для анализа электромагнитных процессов;

• оценен уровень электромагнитных помех на шинах ТП и в питающих цепях аппаратуры РЦ при несинусоидальности и несимметрии напряжения в питающей сети и различных типах выпрямителей подстанции;

• исследовано влияние различных типов выпрямителей и ЭПС на уровень токов помехи в рельсах на частотах сигнального тока;

• рекомендованы защитные меры для снижения ЭМП.

Научная новизна работы

Научная новизна заключается в следующем:

• предложен новый подход к оценке электромагнитной совместимости аппаратуры рельсовых цепей и системы тягового электроснабжения, основанный на комплексной оценке электромагнитного влияния, как через цепи питания, так и через сигнальные цепи;

• разработана имитационная модель электрических цепей системы тягового электроснабжения (включающая тяговую подстанцию тяговую сеть и электроподвижной состав) для исследования электромагнитных процессов;

• установлены зависимости уровня электромагнитных помех в питающих и сигнальных цепях аппаратуры РЦ от качества электроэнергии питающей сети (внешней системы электроснабжения), типа выпрямительного агрегата подстанции, условий тяги и параметров тяговой сети.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключаются в том, что:

• разработано инструментальное средство в виде компьютерной модели для исследования и анализа электромагнитных процессов, протекающих в системе тягового электроснабжения и подверженных влиянию питающих и сигнальных цепях аппаратуры РЦ;

• рекомендованы технические и организационные меры по снижению электромагнитных помех во входных цепях аппаратуры РЦ;

• разработана методика оценки ЭМС аппаратуры РЦ с СТЭС и ЭПС;

• выполнено внедрение разработанной методики оценки ЭМС на предприятиях железнодорожной отрасли.

Достоверность полученных результатов

Достоверность исследования и результатов работы обеспечивалась путем сравнения данных, полученных экспериментально, аналитически и при моделировании работы системы тягового электроснабжения в схожих условиях. В зависимости от полноты исходных данных, расхождение результатов при их сравнении варьировалось в пределах 5%. Сравнение также показало, что формы и гармонический состав токов и напряжений в реальных цепях адекватны полученным при моделировании.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры, конференциях «Неделя науки», «Инфотранс» и международной конференции «Railway Traction Systems» (Япония). По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе две из них — в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для данной специальности.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации, списка сокращений и списка использованной литературы и приложений.

Основные результаты диссертационной работы следующие.

1. Определен набор критериев для оценки кондуктивной ЭМП в питающей и сигнальной цепях аппаратуры РЦ.

2. Разработана имитационная модель системы тягового электроснабжения (включающая тяговую подстанцию, электроподвижной состав, тяговую сеть) для исследования электромагнитных процессов.

3. Проведено исследование электромагнитных процессов в цепях системы тягового электроснабжения и аппаратуры РЦ при типовых параметрах системы. Результаты моделирования ЭМП на шине подстанции ЮкВ и в питающей цепи аппаратуры РЦ следующие:

• при компенсации гармоник порядков 5,7,11,13 на шине ЮкВ подстанции, уровень ЭМП (по критерию коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Кц) может снизиться на 40% при использовании 12-ти пульсовых выпрямителей, и снизиться на 35% при использовании 6-ти пульсовых выпрямителей на подстанции;

• гармоники порядков 17 и выше в питающей сети 110 кВ мало влияют на уровень Кц на шине 10 кВ подстанции и в питающих цепях аппаратуры

РЦ;

• амплитуды гармоник и коэффициент Кц в питающей цепи аппаратуры РЦ снижаются на 5−20% по сравнению с шиной 10 кВ тяговой подстанции за счет наличия гальванической развязки (понижающих и повышающих трансформаторов);

• в питающих цепях аппаратуры РЦ значения коэффициентов Kv и Кщ&bdquo-) (коэффициент п-й гармонической составляющей) не превышает допустимых норм;

• в цепи шины 10 кВ подстанции коэффициенты Ки, Кщ5), Кщ^, КщП), Хиоз) могут превышать нормативные значения, что может привести к неправильной работе нетяговых устройств, питающихся от шины.

4. Результаты моделирования показали, что токи помехи, возникающие в кривой тягового тока при движении электропоезда ЭД4 в режиме тяги, имеют следующие значения:

• на частоте е=25 Гц — в 1,5−2 раза превышают допустимый уровеньсогласно нормам безопасности такое превышение является опасной помехой для аппаратуры РЦ;

• на частотах е—50 и 175 Гц — соизмеримы с допустимым уровнем помехи, но не превышают его;

• на частотах диапазона ТРЦЗ (е=420-^780 Гц) — не превышают допустимых уровней помехи;

• на частотах диапазона ТРЦ4 (е=4545-^-5555 Гц) — существенно (в 8−10 раз) ниже допустимых уровней помехи

• скачки тягового тока и токов помехи, обусловленные замыканием контакторов в цепи электроподвижного состава, превышают допустимые уровни помех, но не являются опасными для аппаратуры РЦ, так как их* длительность не превышает 0,1 с.

5. Разработана методика оценки ЭМС аппаратуры РЦ (расчет величин ЭМП) с устройствами электроснабжения и электроподвижным составом.

6. Выполнено технико-экономическое обоснование и проведено внедрение методики оценки ЭМС на предприятиях железнодорожной отрасли.

По результатам работы были сделаны следующие выводы.

1. При отрицательном чередовании фаз гармоник порядков 5 и 11 и положительном чередовании фаз гармоник 7 и 13 в питающей сети 110 кВ, на шине 10 кВ возникает их компенсация с гармониками тех же частот, создаваемыми выпрямителем тяговой подстанции — это ведет к снижению коэффициента Кц;

2. На уровень ЭМП на шипе 10 кВ подстанции и в питающих цепях аппаратуры РЦ, влияние оказывают:

• амплитуды и фазы гармоник питающей сети 110 кВ порядков 5,7,11,13;

• тип преобразовательного агрегата тяговой подстанции;

• величина тягового тока;

• мощность питающей сети 110 кВ (в меньшей степени).

3. На уровень ЭМП в сигнальных цепях аппаратуры РЦ влияние оказывают:

• режим работы и тип электроподвижного состава;

• величина тягового тока;

• тип преобразовательного агрегата тяговой подстанции.

4. Условия, создающие наихудшую электромагнитную обстановку в питающих и сигнальных цепях аппаратуры РЦ, следующие:

• наличие в питающей сети 110 кВ гармоник порядков v=5,7,11,13, при этом направление чередования фаз гармоник 5 и 11 — положительное, а гармоник 7 и 13 — отрицательное;

• наличие двух и более единиц электроподвижного состава в режиме тяги в пределах одной электрической секции;

• наличие асимметрии сопротивлений рельсовых нитей.

5. Электроподвижной состав, при работе в тяговом режиме, является источником токов помех на частотах сигнального тока РЦв частности, электропоездом ЭД4 создается опасная помеха на частоте 25 Гц, превышающая допустимый уровень в 1,5−2 раза при обычных условиях и, в 2−2,5 раза при наихудших условиях электромагнитной обстановки.

6. Результаты, полученные с помощью разработанной имитационной модели системы тягового электроснабжения для анализа электромагнитных процессов, позволили рекомендовать для снижения ЭМП через питающие и сигнальные цепи аппаратуры РЦ следующие меры:

• технические меры — устанавливать в цепь шин тяговых подстанций трехфазные фильтры для уменьшения гармоник порядков 5, 7, 11, 13;

• организационные (предупредительные) меры — осуществлять предварительную оценку ЭМП на стадии проектирования рельсовых цепей и участков электроснабжения, а также при проведении обоснования на ЭМС перспективного подвижного состава (включая ЭПС с тиристорно-импульсными преобразователями и асинхронным приводом).

7. Срок окупаемости Гок внедрения расчетной методики в качестве альтернативной натурным испытаниям на ЭМС аппаратуры РЦ и электроподвижного состава, составляет 0,55 года при проведении не менее 20 испытаний в год и 0,11 года при проведении 100 испытаний в год. Частичная замена (50%) испытаний моделированием сокращает приведенные затраты на 28%, а полная замена — на 83%.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ПРИНЯТЫХ В РАБОТЕ

BJT СЦБ — высоковольтные линии электропитания устройств сигнализации, централизации и блокировки ДТ — дроссель-трансформатор

ЖАТ — железнодорожная автоматика и телемеханика КЗ — короткое замыкание КС — контактная сеть

ЛПЭ — линия продольного электроснабжения

ТП — тяговая подстанция

ТРЦ — тональные рельсовые цепи

ТРЦЗ — частотный диапазон, включающий в себя частоты сигнальных токов е=420 Гц, е=480 Гц, ?=580 Гц, ?=720 Гц, ?=780 Гц ТРЦ4 — частотный диапазон, включающий в себя частоты сигнальных токов

4545 Гц, ?=5000 Гц, ?=5555 Гц ТС — тяговая сеть

ТСН — трансформатор собственных нужд ТСЦБ — повышающий трансформатор СЦБ ТЭД — тяговый электродвигатель

ПС — питающая сеть подстанции (система внешнего электроснабжения) РЦ — рельсовая цепь РШ — релейный шкаф

СЦБ — сигнализация, централизация, блокировка СТЭС — система тягового электроснабжения ТС — тяговая сеть

ЭМО — электромагнитная обстановка ЭМП — электромагнитная помеха ЭМС — электромагнитная совместимость ЭПС — электроподвижной состав XX — холостой ход