Электромагнитная совместимость тяговых сетей электрифицированных железных дорог с рельсовыми цепями при пропуске поездов повышенного веса и длины

Электрифицированным железным дорогам во всем мире отдается явное преимущество. Длительный опыт эксплуатации подтверждает их преимущества в обеспечении надежности работы, перевозок грузов и пассажиров, в снижении себестоимости перевозок, экономии топливо-энергетических ресурсов и экологии.

Российские железные дороги занимают ведущее место по протяженности электрифицированных линий, протяженность которых составляет 40,5 тыс. км или 46,8% общей длины сети. При этом на линиях с электротягой выполняется около 70% общего объема железнодорожных перевозок. Практика показывает, что на электрифицированных участках железных дорог основные эксплуатационные показатели, определяющие эффективность перевозочного процесса (средняя масса грузового поезда, средняя участковая скорость, среднесуточный пробег локомотива) на 20−30% выше, чем при автономной тяге, суммарный экономический показатель или себестоимость перевозок в 1,5−2 раза ниже, а удельный расход условного топлива на условный измеритель ниже в 1,6 раза.

Поэтому в 2000 г. принято решение о существенном увеличении протяженности электрифицированных железных дорог на 8 тыс. км за период до 2010 года с переключением на эти линии грузовых перевозок и, прежде всего, с организацией движения поездов повышенной массы (до 6000 т) и длины.

Одновременно сеть железных дорог оснащается новейшими устройствами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) с применением устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), обладающими качественно новыми и безопасными свойствами. В основе устройств ЖАТ положено использование в качестве основного датчика контроля местонахождения поезда рельсовых цепей. Однако использование рельсов как обратного проводника в системе тягового электроснабжения для пропуска тягового тока от электроподвижного состава (ЭПС) к тяговой подстанции (ТП) требует осуществления целого комплекса технических, организационных и технологических мероприятий, направленных на обеспечение безотказной работы рельсовых цепей СЦБ и автоматической локомотивной сигнализации (AJIC). Прежде всего должна быть обеспечена высокая степень надежности обратной тяговой (рельсовой) сети (ОТС) как проводника тягового и сигнального токов. С другой стороны, необходимо стремиться к полной электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств электроснабжения, СЦБ и связи, а также к нормальному функционированию технических средств, обеспечивающих электробезопасность на электрифицированных линиях. Это особенно необходимо выполнять при организации пропуска поездов повышенной массы и длины [1].

Одновременно должны учитываться и проблемы электромагнитного влияния («загрязнения») электрифицированного транспорта на смежные устройств (в том числе и на устройства ЖАТ) и окружающую обстановку. Этот тезис основан на том, что электромагнитные поля (ЭМП), создающиеся тяговой сетью системы электроснабжения транспорта, формируют в окружающем пространстве электромагнитную обстановку (ЭМО) в ряде случаев опасную не только для технических устройств, но и для всего живого. Как показывает практика, это может являться одним из важнейших условий нормального функционирования многочисленных технических средств и объектов, обеспечивающих не только экологическую безопасность в зоне электромагнитного влияния, но и безопасность движения поездов, а также комфортность пассажиров. С этой целью как у нас в стране, так и в мировой практике развернуты в настоящее время как исследовательские, так и практически проектно-конструкторские работы, направленные на разработку методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в зонах влияния ЭМП и, прежде всего, в пределах электрифицированных железных дорог.

Поэтому целевыми критериями при построении и эксплуатации обратной тяговой рельсовой сети при электрической тяге постоянного и переменного тока должны быть:

— обеспечение ЭМС и снижение отрицательных воздействий проявления тягового тока на работу устройств ЖАТ и, прежде всего, на рельсовые цепи СЦБ и АЛС;

— уменьшение величины потенциалов на ходовых рельсах ОТС по отношению к земле и снижение в связи с этим потенциально возможных электрокоррозионных и электромагнитных процессов на всех металлоконструкциях, имеющих соединение с рельсами, а также на подземных коммуникациях;

— обеспечение требуемых нормативных показателей в части влияния электрической тяги на смежные устройства, коммуникации и окружающую среду в зоне электрифицированных железных дорог. Под смежными устройствами понимается: кабельные линии связи, телемеханики и устройств СЦБ, рельсовые цепи с подключенной к ним аппаратурой устройств ЖАТ, устройства и конструкции, находящиеся в зоне электромагнитного влияния электрофи-цированных железных дорог;

— снижение потерь электроэнергии и напряжения «рельс — земля» в обратной тяговой (рельсовой) сети и, прежде всего на линиях, где обращаются поезда повышенной массы и длины;

— ограничение термического воздействия тяговых токов на элементы рельсовой сети (дроссель-трансформаторы, стыковые электротяговые соединители, перемычки, заземляющие проводники, устройства, подключаемые к рельсам, и т. п.;

— обеспечение требований электробезопасности как для обслуживающего персонала, так и пассажиров, пользующихся железнодорожным транспортом.

И в основе этих направлений должен быть положен принципе технико-экономической эффективности как всех технический и организационных предложений, так и работы железных дорог в целом по каждому направлению, где обращаются поезда повышенного веса и длины, а также скоростное и пригородное сообщение.

В нашей стране и за рубежом проводятся научные исследования, направленные на решения этих проблем [2 — 74].

Большой вклад в решение вопросов нормального функционирования устройств СЦБ на электрифицированном транспорте внесли доктора технических наук: А. М. Брылеев, В. И. Вахнин, К. Г. Марквардт, В. Н. Пупынин, Ю. А. Кравцов, А. В. Котельников, Б. И. Косарев, А. Б. Косарев, В. М. Лисенков, Р. Н. Карякин, А. П. Разгонов и др. Существенную долю предложений по построению ОТС внесли: И. М. Ершов, В. И. Иванова, А. В. Кузнецов, Е. И. Быков, Ю. И. Зенкович, Б. М. Степенский, В. П. Кручинин, В. Г. Каратаев, А. Н. Кудрявцев, Д. В. Ермоленко и др. [2−81] Среди зарубежных ученых и практиков проблемам по разработке требований к рельсовой линии обратной тяговой сети посвятил свои работы: А. Бялонь (Польша).

Однако, отсутствие комплексного подхода к проблемам построения цепи обратного тягового тока, неучет многих эксплуатационных факторов, существенно определяющих качественную и экономическую стороны, не позволяют сделать заключение об исчерпывающем решении всей проблемы. Это особенно усугубляется при организации поездов повышенной массы и длины, а также на скоростных и пригородных линиях при повышении интенсивности движения, а также в метрополитенах. Недостаточно были изучены вопросы влияния асимметрии рельсовых линий на режимы работы рельсовых цепей СЦБ и АЛС, что не позволяет в полном объеме решать вопросы, связанные с заземлением на рельсы различных сооружений [3−9]. Не были решены, в должной мере, вопросы термической стойкости элементов обратной тяговой рельсовой сети, что сдерживало внедрение более мощных систем тягового электроснабжения (СТЭ) и ЭПС, вызванное повышением массы и длины поездов, а также интенсивности движения. Важной задачей исследований явилось и уточнение потенциального состояния рельсов с тем, чтобы установить требования к параметрам устройств и элементов, подключаемых к рельсам сети при электротяге постоянного и переменного тока.

При увеличении весов и длин поездов, а следовательно и токовых нагрузок, необходимо правильно оценивать электромагнитное влияние систем тягового электроснабжения на кабельные линии связи и устройства СЦБ, что очень важно для обеспечения безопасности.

Для достижения этих целей были поставлены следующие теоретические и практические задачи:

— проведение анализа существующих способов построения обратной тяговой рельсовой сети и разработка требований к отдельным её составляющим элементам;

— исследования по качественной и количественной оценке влияния интенсивности движения и массы поезда на потенциальное состояние рельсов и температурные режимы элементов ОТС;

— исследование совместимости устройств ЖАТ в зоне гальванического и электромагнитного влияния различных систем тягового электроснабжения в условиях движения поездов повышенного веса и длины, и прежде всего, при расстановке междупутных перемычек;

— исследования по разработке новых схем подключения различных устройств к рельсовой сети при электротяге постоянного и переменного тока.

Исследования, представленные в настоящей диссертационной работе, проводились в течение последних ряда лет (1998;2003 гг.) согласно практическим задачам, поставленным МПС РФ, в частности, Департаментами сигнализации, централизации и блокировки (ЦШ МПС РФ), электрификации и электроснабжения (ЦЭ МПС РФ), пути (ЦП МПС РФ), безопасности движения ЦРБ МПС РФ), а также научно-техническим советом МПС и его отдельными секциями. Базой исследований явились технически оснащенные участки железных дорог с электротягой постоянного и переменного тока, метрополитены (г.Москва, г. Нижний Новгород), а также Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ МПС.

В результате решения при участии и под руководством ряда разделов тематики автора настоящей работы получены результаты:

— разработка математической модели для расчета опасного влияния системы тягового электроснабжения на кабельные линии связи и устройства СЦБ

— разработаны модели рельсовых сетей при электротяге постоянного и переменного тока с установлением требований к отдельным элементам и устройствам, подключаемым к рельсам;

— исследованы и получены аналитические зависимости эффективных токов в рельсах с учетом движения поездов повышенного веса и длины, дана оценка термической устойчивости элементов обратной тяговой рельсовой сети в широком диапазоне использования пропускной способности и профиля пути;

— обоснованы организационно-технические мероприятия и разработаны предложения по обеспечению электромагнитной и экологической совместимости смежных систем и коммуникаций;

— разработан и внедрен целый комплекс технических решений, методических и методологических нормативных документов в части построения обратной тяговой рельсовой сети.

В частности, с участием автора разработаны и утверждены МПС «Методика расчета эффективных токов в элементах обратной тяговой рельсовой сети при электротяге постоянного и переменного тока», Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту устройств электроснабжения сигнализации, централизации и блокировки и связи на федеральном железнодорожном транспорте (ЦЭ-881, 2002 г.), Инструкция по организации, обращению грузовых поездов повышенного веса и длины на железных дорогах Российской Федерации (№ ЦД-ЦТ-851, 2001 г.) и другие нормативные документы по построению обратной тяговой рельсовой сети при электрической тяге, широко применяемые на сети железных дорог.

Материалы диссертационной работы докладывались на НТС комплексного отделения ТЭ ВНИИЖТ, на Международном симпозиуме «Электрификация и развитие железнодорожного транспорта» (ПГУПС г. Санкт-Петербург, 2001 г.), научной конференции молодых ученых и аспирантов по современным проблемам железнодорожного транспорта (г.Москва, 2003 г.), конференции по ресурсосберегающим технологиям (г.Москва, МГУПС, 2001 г.), конференции мо-лодных ученых (г.Москва, ВНИИЖТ, 2002 г.).

ВЫВОДЫ по работе

На основании теоретических и практических исследований установлено:

1. При организации движения грузовых поездов повышенного веса и длины, а также скоростных и пригородных с высокой интенсивностью движения, необходимо учитывать факторы, влияющие на нормальное функционирование элементов обратной тяговой рельсовой сети (ОТС) и рельсовых цепей железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). Прежде всего, это относится к правильному выбору параметров элементов ОТС в части термической стойкости и стабильности функционирования.

2. Разработана математическая модель системы тягового электроснабжения (СТЭ) для участков железных дорог при организации движения поездов повышенного веса и длины.

Проведенные по этим закономерностям расчеты токов ОТС позволили сбалансировать требования к отдельным ее элементам с уровнем тягового тока, протекающего в рельсах при различных весовых нормах, интенсивности движения и расположения тяговых подстанций и автотрансформаторных пунктов.

3. Обоснована математическая модель тяговой сети для определения опасного влияния на кабельные линии СЦБ и связи с учетом уточненных коэффициентов экранирующего действия рельсов и металлических покровов кабелей.

4. Установлены правила расстановки междупутных перемычек (МП) для пропуска тягового тока с учетом совместимости с рельсовыми цепями СЦБ и AJ1C. Разработан математический аппарат и практические рекомендации для выбора мест установки МП на фидерной зоне.

5. Предложена методика расчета эффективных токов в элементах ОТС при электротяге постоянного и переменного тока. Методика утвер

— 159- ! ждена МПС и направлена на сеть железных дорог для практического использования.

6. Разработаны принципы совместимости смежных с ОТС систем и коммуникаций. С помощью этих принципов могут быть реализованы требования нормального функционирования смежных устройств и коммуникаций, можно выбрать параметры этих устройств с точки зрения надежности действия и электробезопасности обслуживающего персонала.

7. Показана эффективность выбора параметров устройств, подключаеi * мых к рельсам, с учетом перенапряжений в ОТС как при нормальном ! режиме СТЭ, так и в режиме к.з. Даны конкретные рекомендации по защите от перенапряжений устройств, подключаемых к рельсам.

8. Установлены требования к сборному рельсовому стыку, являющимся одним из основных дестабилизирующих факторов в работе рельсовых цепей и АЛС. На базе этих требований разработаны технические условия на провод и стыковые рельсовые соединители с применением сталемедных проводов различного сечения (свидетельство на полезную модель № 25 183 от 20.09.2002 г.). Применение этих проводов позволяет исключить вандализм и хищение на сети железных дорог.

9. Разработаны методические указания по построению ОТС при пропуске поездов повышенного веса и длины, где учитываются все требования к элементам ОТС с точки зрения термической стойкости и электробезопасности.

— 160