бабулер14

Влияние электротяги на рельсовые цепи

В основе влияния электротяги на все виды телесигнализации (ТС) лежит то обстоятельство, что тяговый ток протекает по рельсам. При этом на рельсовые цепи (РЦ) и цепи ТС тяговые токи оказывают различное мешающее и опасное влияние. Оно зависит от следующих факторов: типа систем ТС, их длины (собственной и сближения с железной дорогой), параметров, времени воздействия тока, состояния рельсов, симметрии токов в отдельных рельсах, а также способов защиты приемников от помех.

Для электрифицированных дорог характерна общая модель проникновения помех в устройства ТС. Она действительна для всех видов передачи информации. При этом выделяются четыре главных элемента передачи:

□ передатчик информации (например, рельсовая цепь);

□ объект воздействия (приемник);

□ источник помех (система тяги, ЭПС, ЛЭП и грозовые разряды);

□ среда, в которую проникают помехи, а также переходные зоны.

Исследование влияния гармоник тягового тока на рельсовые цепи проводилось на реальных моделях рельсовых цепей разных типов с установкой измерительной аппаратуры. При двухниточных РЦ несимметрия рельсовой линии для гармоник обратного тягового тока учитывается путем подключения калиброванного провода между рельсом и одним концом дополнительной обмотки дроссель-трансформатора (ДТ), что отвечает аварийному состоянию рельсовых цепей.

Такая методика является универсальной для электротяги переменного и постоянного тока при анализе работы ЭПС, тяговых подстанций и других источников помех, включая ЛЭП. В этих ситуациях могут возникать явления наложения, усложняющие условия измерения. Кроме установившихся режимов тяги, необходимо также исследовать и другие режимы: пуска, аварийные и др.

В основном рекомендуется контролировать следующее:

Ф в системах электротяги 3 кВ — частоту гармонических составляющих тока при работе преобразователя и его собственную частоту, а также гармонику 50 Гц и гармонические составляющие (особенно 3, 6, 12), обусловленные работой системы тягового электроснабжения (СТЭ);

Ф в системах переменного тока 25 кВ, 50 Гц — основную гармонику частотой 50 Гц и гармонические составляющие, возникающие при работе тиристорного преобразователя;

Ф в обеих системах электротяги — переходные процессы, охватывающие широкий спектр частот.

Для исследования был разработан принцип анализа мешающих сигналов,
обеспечивающий приемлемую степень точности. При этом было установлено, что при испытаниях должны учитываться следующие режимы:

♦ ЭПС постоянного тока — работа при различных частотах импульсного преобразователя в зависимости от скорости и токовой нагрузки, нормальная работа импульсных преобразователей и повреждение (например, отключение одной тележки), наличие нескольких локомотивов на участке питания;

♦ ЭПС переменного тока — полностью несимметричный тиристорный мост, нормальная работа в режиме тяги и наличие повреждений, нахождение на участке питания нескольких локомотивов.

Должны также учитываться следующие условия работы рельсовых цепей:

♦ подключение разных типов приемных концов РЦ;

♦ излом рельса и протекание тягового тока по одному рельсу;

♦ полная симметрия двухниточной РЦ.

Очень сложным, как оказалось, является выбор измерений с учетом режима работы ЭПС. После аналитических расчетов было рекомендовано применять способ, основанный на оценке различных режимов работы, определяемых комбинациями номинальных значений тока и скорости. Выбрано пять таких колебаний со следующими параметрами:

А = 0; 1 = 1ном;

В = 0; 1 = 1,5 1ном;

С = 0,5 ном; I = 1ном;

Д = ном; I = 1ном;

Е = ном. I = 0,5 1ном.

Эти комбинации выбраны не случайно, они характеризуют соответствующие режимы эксплуатации:

А — пусковой режим поезда весовой нормы;

В — пусковой режим тяжеловесного поезда;

С — движение поезда с низкой скоростью по станционным путям после пуска;

Д — режим тяги тяжеловесного поезда;

Е — режим тяги поезда весовой нормы.

Для разных ЭПС номинальные значения различны, поэтому в одинаковых режимах (от А до Е) будут достигаться различные уровни и скорости. Эти комбинации соответствуют реальным условиям эксплуатации ЭПС.

Также был предложен и другой способ, основанный на определении удельной силы тяги, выраженной в процентах (30, 50, 70, 80 и 100 % номинальной). Как показали исследования, этот способ измерений помех наиболее прост. Практически по приведенной методике испытаны все типы электровозов и электропоездов как при электротяге переменного тока, так и постоянного.

Особое место в исследованиях по данной теме занимает вопрос, относящийся к
определению гармоник при различных режимах тяговой подстанции (ТП). При этом исследовалось несколько вариантов:

s без фильтра на ТП;

S с резонансным фильтром (ветви на 300, 600, 900 и 1200 Гц);

S с индуктивностью и параллельно включенным конденсатором (225 мкФ).

Эти исследования позволили установить, что состав и уровень гармонических составляющих зависят от рабочей частоты преобразователя, а затухание составляющих тока определяется наличием фильтр-устройств.

При исследовании частотного спектра тягового тока необходимо знать, каким образом влияет наличие нескольких электровозов на фидерной зоне и при тяге несколькими локомотивами. В таких условиях следует учитывать результирующую амплитуду основной частоты управления. Однако чаще всего имеется комбинация разных частот управления, а частоты гармонических и интерференциальных составляющих обусловлены разницей между частотами пульсации на подстанции и ЭПС или только на ЭПС.

Ряд исследований по определению параметров помех в РЦ проведен в Германии. В частности, предложено устанавливать на ЭПС мощные фильтр-устройства, снижающие влияние гармоник на оборудование СЦБ и связи в различных режимах работы тягового средства. В США для унификации методики измерения Ассоциацией американских железных дорог (AAR) предложен комплект измерительной аппаратуры, успешно принимаемый как при исследованиях, так в условиях эксплуатации. Аналогичные исследования проведены и разработаны национальные нормы уровней помех от ЭПС во Франции, Голландии, Венгрии, Англии и других странах, где используется электротяга.

На участках железных дорог при оценке электромагнитной совместимости (ЭМС) различных ТС рассматриваются следующие виды помех:

■ гармоники;

■ интергармоники;

■ колебания напряжения;

■ провалы напряжения и кратковременные перерывы питания;

■ изменение частоты питающего напряжения;

■ составляющие тягового постоянного и переменного тока;

■ грозовые разряды.

Наибольшие влияния оказывают составляющие тягового тока. Повышение эффективности электрической тяги выдвигает требования рационального построения обратной тяговой сети с учетом электромагнитной совместимости систем тягового электроснабжения и аппаратуры рельсовых цепей устройств СЦБ.

Проблема ЭМС в этом плане чрезвычайно сложна и многообразна. До настоящего времени сделаны только первые шаги в разработке методов ее решения применительно лишь к конкретным системам тягового электроснабжения (например, в метрополитенах). Наиболее важным результатом таких методов для электрифицированных дорог постоянного и переменного тока является определение оптимальных электрических параметров устройств СЦБ (аппаратура рельсовых цепей), работающих в одной электрической системе, при которых обеспечивается их нормальная работа и минимальное взаимное мешающее воздействие, а также выполняются все функции устройств электрической тяги.

В реальных условиях проблема ЭМС осложняется действием помех различного рода электрических систем (ЛЭП, ЭПС, различного электрооборудования и др.), что предопределяет в большинстве случаев многообразные пути решения этой проблемы.

Следует отметить, что на всех этапах разработки рельсовых цепей СЦБ учитывалось влияние тягового тока и его гармоник на аппаратуру СЦБ и АЛС. Степень этого влияния зависит от значения и рода тягового тока, процентного содержания в нем гармоник и параметров самих РЦ и рельсовых линий. Нагрузка контактной сети определяется размерами движения поездов, родом тягового тока и системой питания, а уровень гармоник — системой управления преобразователями (на ТП и ЭПС).

Проведенное на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» исследование показало, что процентное содержание гармоник тягового переменного тока может быть охарактеризовано следующим рядом (табл. 1) при тяговом токе не более 850 А. Эти значения помех и были приняты в качестве расчетных при разработке рельсовых цепей и аппаратуры АЛС, только расчетное значение асимметрии увеличивается до 25 %. При электротяге постоянного тока расчетный уровень тока помех четных гармоник принят равным 10 А. Нечетные гармоники малы и поэтому не учитываются.

Кроме отмеченных гармонических (сосредоточенных) помех, приемные устройства РЦ и АЛС подвержены влиянию импульсных помех тягового тока. От них защитить приемные устройства электрическими фильтрами невозможно, так как в самом фильтре возникают свободные колебания, совпадающие с частотой сигнала. В этом смысле ЭМС достигается путем увеличения частоты сигнального тока и его уровня и, что наиболее значимо, восприятия эффективной длительности сигнала приемными устройствами.

В табл. 2 приведена относительная интенсивность импульсных помех для различных частот сигнального тока при электротяге постоянного тока. При дальнейшем повышении частоты сигнального тока интенсивность импульсных помех снижается. При электротяге переменного тока эти соотношения определены так, как указано в табл. 3.
Расчеты показали, что для защиты от импульсных помех выходное исполнительное реле приемника должно иметь замедление на срабатывание 0,5 — 1,2 с. При появлении на сети дорог ЭПС с тиристорным регулированием указанные выше соотношения меняются, поскольку составляющие гармоник уже другие.

При широком внедрении тональных РЦ (см. рисунок), исходя из необходимости защиты от помех тягового тока, разработаны специальные требования как в части выбора частоты сигнального тока, так и схема построения аппаратуры. Поэтому внедрение РЦ с тональными частотами и, прежде всего, на линиях, где обращаются поезда с тиристорным регулированием, является одним из основных средств повышения эффективности работы устройств СЦБ, позволяя получить ряд эксплуатационных технических и экономических преимуществ.


Необходимо отметить, что перевод ЭПС на тиристорное регулирование хотя и дает ряд преимуществ, однако приводит к появлению нежелательных помех в диапазоне тональных частот. Например, создание импульсного питания тяговых двигателей с переменной шириной импульсов при задающей частоте 400 Гц приводит к появлению помех в широком диапазоне тональных частот. Результаты испытаний позволили сделать вывод, что для снижения помех следует стабилизировать частоты управления с точностью 1 %.

При испытаниях ЭПС с частотно-импульсным регулированием (ширина импульса остается постоянной, а частота регулирования изменяется от 200 до 4000 Гц) было обнаружено повышение уровня помех в несколько раз. Аналогичные результаты получены и при испытаниях ЭПС с асинхронными тяговыми двигателями.

Сказанное выдвигает на первый план необходимость более тщательного исследования всей совокупности помех, возникающих в средствах электрической тяги и воздействующих на устройства СЦБ и связи. Это относится и к системам тягового электроснабжения. При электро-
тяге, в основном, проявляются(особенно для тональных РЦ) аддитивные помехи, которые подразделяются на три группы: флуктуационные, импульсные и сосредоточенные.

Известно, что амплитуда помех от обратного тягового тока изменяется во времени. Это вызвано, во первых, переменным характером нагрузки тяговой подстанции, которая зависит от режима движения поездов, их веса, серии локомотивов, количества поездов, находящихся на фидерной зоне, профиля пути, особенностей ведения поезда отдельными машинистами и т.п. Во вторых, качеством напряжения и тока, зависящим от работы выпрямителей и ЛЭП. Одним из наиболее значительных по уровню и постоянно действующих являются помехи, сосредоточенные по спектру. Причинами их может быть подпитка РЦ от источников соседней (смежной) РЦ, наличие гармоник в тяговой сети и т.п.

На ТП постоянного тока с выпрямителями (6- и 12-пульсовые схемы) применяют сглаживающие фильтр-устройства (СУ) различных модификаций (фильтры напряжения). Так как СУ должны максимально уменьшить амплитуду гармоник, а на уровень постоянной составляющей выпрямленного напряжения оказывать минимальное влияние, то применяют фильтры с использованием реактивных элементов. Однако при некоторых неисправностях (например, пробой конденсатора) контуры (дополнительные) отключаются предохранителем. При этом движение поездов сохраняется, а в контактной сети присутствуют все гармоники выпрямленного тока.

Предложенные в настоящее время устройства диагностики и контроля не нашли еще широкого применения. Поэтому действие гармоник в тяговой сети нельзя считать лимитированным во времени. К тому же, особенностью работы некоторых СУ в совокупности с ЭПС и разными типами тяговой сети является то, что на низких частотах (50 — 200 Гц) происходит не ослабление уровня гармоник, а их усиление. Так, исследованием установлено, что при СУ с индуктивностью реактора 4,5 Гн на частоте 300 Гц уровень гармоники составляет 22,2, а на частоте 200 Гц — всего 0,66.

Поэтому с точки зрения методологии изучение этого вопроса следует начинать с установления границ эффективности сглаживающих устройств, ТП и ЭПС, разработки способов контроля и диагностики. Несомненно, главным остается и вопрос анализа гармонических составляющих с учетом реальных схем выпрямления, систем тягового электроснабжения, ЭПС и ЛЭП.

При исследовании процесса оценки эффективности фильтров выявлено, что сглаживающие Г-образные фильтры могут применяться в качестве фильтров напряжения и фильтров тока. Так, если источник гармоник представляет собой генератор пульсирующего напряжения (например,
выпрямитель), то применяют фильтр напряжения, соединяя источник со стороны индуктивного входа. Импульсный преобразователь, установленный на ЭПС, потребляет пульсирующий ток. Для сглаживания его переменной составляющей применяют фильтр тока, присоединяя потребитель тока к фильтру со стороны емкостного входа.

Правильно примененные фильтры позволяют практически исключить влияние помех на рельсовые цепи. Важным условием при этом является разработка методики измерения. Для условий эксперимента были опробованы способы записи переменной составляющей на магнитную ленту последующем разложением в спектральный ряд на анализаторах гармоник. Аналогично проработаны и вопросы использования ЭВМ для анализа спектра гармоник, а также разработаны измерительные схемы для получения кривой затухания фильтров, установленных как на ЭПС, так и в аппаратуре рельсовой цепи.

В первом случае следует замыкать выходную цепь фильтра через измерительный амперметр, что соответствует расположению ЭПС рядом с подстанцией, когда сопротивление тяговой сети мало и гармоники тока максимальны. Следует уточнить и фактор усиления гармоник в тяговой сети при различных вариантах усиления СТЭ и их схем, а также при нахождении на фидерной зоне несколько ЭПС. При этом необходимо разработать анализаторы помех, способные фиксировать спектры гармоник в условиях реальной эксплуатации.

Если следовать из понимания, что помехи — это нежелательное электрическое и (или) магнитное воздействие на ТС, которое может привести к ухудшению качества их функционирования, то понятие мощной электромагнитной помехи (МЭМП) сводится к такой помехе, при которой происходят необратимые отказы. На электрифицированных дорогах такие помехи встречаются наиболее часто (мощностью выше 5 — 7 Вт).

По форме помехи разделяют на импульсные и регулярные. Импульсные — это одиночные импульсы или последовательность, произвольные по форме и различные по амплитуде, которые появляются в случайные моменты времени. Причем, для последовательности импульсов интервалы между ними, как правило, больше длительности самих импульсов (например, режим к.з. контактной сети на рельсы или землю, отрыв токоприемника, проезд изолирующих вставок и др.). Регулярные помехи определяются как гармонические (например, при работе преобразователей подвижного состава).

В системе железнодорожного транспорта МЭМП разделяются на естественные и искусственные. В свою очередь, помехи искусственного происхождения подразделяются на непреднамеренные и организованные. И те, и другие возникают на сети электрифицированных дорог. Однако наибольшее значение следует придавать помехам от ЛЭП, линий электропередач, проложенных вдоль железных дорог, контактной (тяговой) сети.

Особенностью электрифицированных дорог является несимметричность их тяговой сети, что создает определенные условия для возникновения МЭМП. Следует отметить, что наибольшее значение на электрифицированном транспорте придается коммутационным, квазистацио-нарным и стационарным перенапряжениям в диапазоне частот от 0,1 до 3,5 Гц. По амплитуде такие помехи могут быть до нескольких ампер (особенно в тональном диапазоне).


Близкой по своим помехосоздающим свойствам к ЛЭП является тяговая сеть железных дорог. При работе преобразователей на ЭПС создается возможность получения помех частотой от 0,1 до 150 Гц. То же самое возникает и при к.з. тяговой сети на рельсы, что очевидно из табл. 4.

Итак, по результатам исследований можно делать следующие выводы:

■ состав и уровень гармонических составляющих зависят от рабочей частоты преобразователя, а затухание составляющих тока определяется наличием фильтр-устройств;

■ для снижения помех на ЭПС с тиристорным регулированием следует стабилизировать частоты управления с точностью ±1 %;

■ правильно примененные фильтры позволяют практически решить задачу исключения влияния помех на рельсовые цепи.

Д-р техн. наук 3.В. АБУСЕРИДЗЕ,

главный научный сотрудник ОАО «ВНИИЖТ», инж. Е.Ю. ШЕВЦОВА,

главный специалист ГСКБ «Алмаз - Антей»