Проектирование электрической тяги с учетом требований к инфраструктуре

[Admin]

Проектирование электрической тяги с учетом требований к инфраструктуре

А.В. НАУМОВ, ведущий специалист института «Трансэлектропроект» филиала ОАО «Росжелдорпроект»
А.А. НАУМОВ, инженер

Единая система организации и управления инфраструктурным комплексом ОАО «РЖД» должна соответствовать не только современным, но и перспективным требованиям перевозочного процесса. Это гарантирует выполнение заявленных объемов перевозок грузов и пассажиров при надежном, бесперебойном функционировании всех устройств инфраструктуры: автоматики и телемеханики, электрификации и электроснабжения, пути и путевого хозяйства, связи и информатики. Для этого предусматривается создание единой системы мониторинга и диагностики объектов инфраструктурного комплекса, а также разработка взаимоувязанных нормативных документов для их проектирования и технического обслуживания.

Параметры и требования к элементам и устройствам инфраструктуры, а также порядок действий работников хозяйств автоматики и телемеханики, электрификации и электроснабжения, пути и сооружений ОАО «РЖД», устанавливаемые действующими нормативными документами, имеют определяющее значение при техническом обслуживании и ремонте устройств и элементов обратной тяговой рельсовой сети (OTC), электрических рельсовых цепей (РЦ) и верхнего строения пути. С учетом этого устанавливается перечень основных работ по техническому обслуживанию и ремонту устройств элементов OTC и РЦ, рельсошпальной решетки и скреплений, отсасывающих линий тяговых подстанций (ТП) и заземляющих устройств (ЗУ), а также периодичность выполнения указанных работ и единый порядок учета проведенных мероприятий по повышению надежности функционирования указанных устройств и их отказов.

При этом должны учитываться параметры, регламентирующие следующие величины:

сопротивление сигнальному и тяговому току всех типов рельсов, стыковых электротяговых соединителей (приварных, штепсельных и пружинных), дроссельных, междроссельных и междупутных перемычек, отсасывающих линий ТП и цепей заземления сооружений и конструкций;

уровни асимметрии тягового тока для всех типов дроссель-трансформаторов (ДТ) и намагниченности рельсов в изолирующих стыках;

предельные значения сопротивления балласта и шпал, элементов рельсошпальной решетки, заземления опорных конструкций и сооружений, что обуславливает утечку сигнального и тягового тока;

допустимые и реальные температуры нагрева всех элементов и устройств OTC.
Рассмотрим анализ этих показателей с учетом особенностей построения и эксплуатации объектов инфраструктуры при электрической тяге постоянного и переменного тока.

ОСОБЕННОСТИ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ НА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ линиях

Главной особенностью электрифицированного пути является использование рельсов для пропуска обратного тягового тока. Это требует выполнения комплекса технических, организационных и технологических мероприятий, направленных на обеспечение безотказной работы устройств, использующих рельсовые линии в цепях управления движением поездов. Также надо обеспечить электромагнитную совместимость устройств тягового и нетягового электроснабжения, устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, технических средств, обеспечивающих электробезопасность на электрифицированном транспорте. Особенно это условие необходимо учитывать при организации пропуска поездов повышенного веса и длины. Только при равенстве предельно допустимых токовых нагрузок в контактной подвеске и обратной тяговой (рельсовой) сети можно максимально использовать резервы пропускной способности электрифицированных участков дорог.

Варианты установки элементов обратной тяговой сети приведены на рис. 1: а - на двухниточной РЦ; б - при переходе от двухниточной к однониточной РЦ; в - на однониточной; г-на двухпутных участках с автоблокировкой; д - то же без автоблокировки; е, ж - на стрелочных переводах соответственно при двух- и однониточных РЦ. Соединители обозначены следующими цифрами: 1 - дроссельный электротяговый; 2, 3 - междроссельный и стыковой; 4, 5, 6 - междроссельный, междурельсовый и междупутный на участке с автоблокировкой; 7, 8 - междурельсовый и междупутный на участке без автоблокировки; 9, 10 - стрелочный стальной штепсельный. Остальные элементы имеют следующие обозначения: 11 - путевой дроссель-трансформатор, 12 - изолирующий стык, 13,14-тяговая и сигнальная (нетяговая) рельсовые нити.

На участках с электротягой эти элементы должны обеспечить надежную работу устройств защиты от токов короткого замыкания в системе тягового электроснабжения, электробезопасность, нормальное функционирование рельсовых цепей устройств ЖАТ. Кроме этого, допустимые пределы утечки тягового тока с рельсов должны быть ограничены с учетом требований защиты от электрокоррозии подземных сооружений и коммуникаций.

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБРАТНОЙ ТЯГОВОЙ РЕЛЬСОВОЙ СЕТИ

При выборе параметров такой сети необходимо учитывать требования по пропуску тягового тока и нормальному функционированию рельсовых цепей ЖАТ.

Все элементы обратной тяговой сети в местах их установки по термической устойчивости должны соответствовать максимальному расчетному уровню эффективных тяговых токов с учетом интенсивности движения тяжеловесных поездов.

Типы элементов рельсовой сети по условиям термической устойчивости выбираются в зависимости от пропускной способности системы тягового электроснабжения, а также токораспределения в рельсах.

Пропускная способность системы тягового электроснабжения (часовая, суточная, расчетного участка) - это наибольшее количество поездов, которые могут проследовать по участку (в час, сутки) в каждом направлении, в зависимости от мощности тяговых подстанций, допускаемого нагрева проводов контактной сети и напряжения на токоприемниках электроподвижного состава. При этом задаются параметры этой системы, вес и тип поездов, их количественное соотношение, способ организации движения.

При подготовке участка дороги к эксплуатации необходимо составить его план с указанием ординат мест установки и типа ДТ, междупутных и междурельсовых перемычек и их сечения, пунктов подключения отсасывающих линий тяговых подстанций. Также на всем протяжении участка следует разграничить I и II зоны термического воздействия в соответствии с Методикой расчета эффективных токов в элементах обратной тяговой рельсовой сети при электротяге постоянного и переменного тока.

Затем на основе исходных данных (эквивалентного уклона и межпоездного интервала) определяются ток поезда 1п, средний I эффективный I р и максимальный Iтау ток в обратной тяговой сети.

По специальной методике оцениваются тепловые режимы работы ДТ, перемычек, соединителей, проводится ревизия состояния ДТ, дроссельных, междроссельных и междупутных перемычек согласно требованиям ОАО «РЖД». При необходимости в дросселях заменяется или добавляется трансформаторное масло.

Далее определяются требующие замены или ремонта стыковые электротяговые соединители, тарельчатые пружинные шайбы, металлические накладки, а также изолирующие стыки на всем направлении движения тяжеловесных поездов.

На графиках с профилями тепловых нагрузок на участках переменного (рис. 2, а) и постоянного (рис. 2, б) токов, где L - расстояние между тяговыми подстанциями, можно выделить две характерные зоны с различным тепловыделением: I - зона повышенных тепловых нагрузок на участках, прилегающих к тяговой подстанции; II - зона пониженных тепловых нагрузок на участках, удаленных от тяговых подстанций.

Наиболее нагруженными являются участки перегонов, непосредственно прилегающие к пунктам отсоса тяговых подстанций. На участках переменного тока нагрузка несколько сглаживается (см. рис. 2, штриховая кривая) за счет трехэлементной цепи отсоса (отсасывающая линия с главных путей, контур заземления и подъездной тупик тяговой подстанции).

Условия передачи энергии, а следовательно, и надежная работа рельсовых цепей зависят от многих факторов и, в первую очередь, от состояния рельсовой линии, в частности, от ее первичных параметров - сопротивления рельсов и сопротивления балласта.

Сопротивление изоляции рельсовой линии (балласта) - это сопротивление, оказываемое току утечки при протекании от одной рельсовой нити к другой через шпалы и балласт. Его величина зависит от конструкции верхнего строения пути. Рельсы лежат на шпалах, с которыми могут иметь хороший электрический контакт через металлические детали верхнего строения пути (подкладки, костыли, шурупы, противоугоны). Шпалы размещены в балластном слое, уложенном на земляное полотно. Наилучшим материалом для балласта является щебень, имеющий большее электрическое сопротивление по сравнению с такими материалами, как, например, гравий или ракушечник. Наиболее низкое сопротивление изоляции у песчаного балласта.

На первичные параметры рельсовых линий существенно влияет утечка тока, проходящего через фундаменты опор контактной сети, светофоров и других конструкций, присоединенных к одному из рельсов, а также параллельное соединение тяговых нитей.

ТРЕБОВАНИЯ К СБОРНЫМ И ИЗОЛИРУЮЩИМ СТЫКАМ

При построении обратной (рельсовой) сети требования к самим рельсам, в частности, по обеспечению возрастающих осевых нагрузок постоянно растут. Однако требования к стыковым соединителям остаются неизменными. Поскольку сопротивление рельсов уменьшается, поддерживать в норме сопротивление стыка становится затруднительно. Кроме этого, сопротивления самих стыковых соединителей находятся в пределах от 60 до 100 мкОм и более (для сравнения сопротивление трех метров рельса Р75 составляет около 63 мкОм). Таким образом, сопротивления многих сборных стыков еще до приварки в путь не соответствуют норме. Однако считается,

что соединители сечением 70 мм2, широко используемые на российских дорогах, полностью удовлетворяют условиям пропуска тяговых токов по нагреванию и термической стойкости. Допустимый ток, длительно проходящий через один соединитель, составляет 350 А. На четыре нитки двухпутного участка приходится 1400 А, что обеспечивает длительный пропуск тока(более 3000 А) даже у отсоса тяговой подстанции. Кроме того, следует учесть, что ток проходит и через накладки. Установлено, что при нормированной затяжке болтов с осевым усилием 3-4 тс сопротивление рельс-накладка находится в пределах 2-4 мкОм при сопротивлении стыка в среднем 6 мкОм, в то время как переходное сопротивление приварной соединитель-рельс составляет 35-40 мкОм.

Таким образом, почти у 90 % сборных стыков ток проходит по накладкам. Нормированное сопротивление рельсовых сборных стыков (РСС) при электротяге постоянного тока должно быть в пределах 200 мкОм. При электротяге переменного тока за счет индуктивной составляющей оно выше и составляет 250-300 мкОм. Через основные и дублирующие приварные соединители протекает в среднем не более 20 % суммарного тягового тока, а остальная часть проходит через металлические накладки (с учетом нормативной затяжки болтов). При исключении влияния асимметрии тягового тока на рельсовые цепи, например, из-за неисправности соединителя и ослаблении затяжки болтов накладки, требования по нормальному функционированию рельсовых цепей будут полностью выполнены.

Надежность изолирующих стыков в рельсах различной конструкции, применяемых в звеньевом и бесстыковом пути, приобретает все большую значимость для нормального функционирования рельсовых цепей. В настоящее время на электрифицированных дорогах России применяются в основном изолирующие стыки, имеющие металлические накладки с полимерным покрытием. Это позволяет обеспечить не только механические требования к изолирующему стыку, величине его сопротивления изоляции, но и допустимые значения намагниченности стыка. Как следствие - снижение отказов в устройствах AЛC.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ СОВМЕСТИМОСТИ ОБРАТНОЙ ТЯГОВОЙ СЕТИ С СИСТЕМАМИ ЖАТ

Значительная часть смежных с тяговой сетью устройств подвержена влиянию мощных электромагнитных полей. Гальваническому влиянию подвергаются рельсовые линии и напольное оборудование - датчики, трансформаторы, аппаратура радиосвязи и др. Общая схема влияния электрической тяги на устройства СЦБ показана на рис. 3. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - тяговая подстанция, 2 -линия внешнего электроснабжения, 3 - контактная сеть, 4 - линии нетягового электроснабжения, 5-электроподвижной состав, 6 - электрическое и магнитное воздействие, 7 - напольное оборудование.

Известно, что металлические подземные коммуникации (трубопроводы, кабели, фундаменты и др.), расположенные вдоль полотна электрифицированных дорог, подвержены магнитному и гальваническому влиянию. При электротяге постоянного тока следствием такого влияния может быть электрокоррозия металлических частей подземных коммуникаций и сооружений. На участках с электротягой переменного тока электромагнитное влияние обусловливает индуцированные напряжения в этих коммуникациях.

Методы оценки индуктивного влияния тяговой сети переменного тока на воздушные линии связи хорошо известны. Однако, помимо электромагнитного влияния, отдельно должны рассматриваться и вопросы, связанные с гальваническим влиянием тягового тока на аппаратуру рельсовых цепей железнодорожной автоматики.

При проектировании и эксплуатации существует несколько способов снижения влияния асимметрии тягового тока на работу рельсовых цепей:

выравнивание в установленных пределах суммарных сопротивлений обеих рельсовых нитей, включая сопротивления дроссельных перемычек и полуобмоток путевых и дополнительных дроссель-трансформаторов;

снижение максимальных токов в рельсовой сети за счет установки междупутных перемычек, выбора рационального графика движения поездов;

уменьшение величины тягового тока в путевых и дополнительных дроссель-трансформаторах при сохранении прежних значений токов в рельсах с помощью применения дополнительных отсасывающих линий и дроссель-трансформаторов, увеличения тяговых рельсовых нитей для пропуска тягового тока, перевода однониточных рельсовых цепей на двухниточные и др.;

применение новых типов дроссель-трансформаторов, менее подверженных влиянию асимметрии, а также за счет усовершенствования эксплуатируемых в настоящее время путевых и дополнительных дроссель-трансформаторов.

На основании изложенного можно сформулировать основные принципы обеспечения совместимости устройств тягового электроснабжения и железнодорожной автоматики по данному направлению:

полное исключение возможности сбоя, отказа, нарушения в работе систем тягового электроснабжения и железнодорожной автоматики;

реализация всех технических средств, обеспечивающих электромагнитную совместимость на элементах рельсовой сети и смежных устройствах с учетом их реальных типов и напряжений в рельсах;

функциональные и конструктивные элементы рельсовой сети и других устройств должны быть рассчитаны на устойчивость к электрическому воздействию со стороны тяговой сети во всех режимах ее работы.

Подводя итог, следует отметить, что при переходе на единую систему проектирования объектов и устройств инфраструктуры необходимо переработать нормативные документы на организацию цепей канализации тягового тока по рельсовой сети с учетом требований безопасности движения и повышения эффективности обслуживания. Также необходимо разработать «Методику расчета обратных тяговых токов в рельсовой сети при электрической тяге постоянного и переменного тока» и «Методические указания по проектированию усиления обратной тяговой рельсовой сети при электрической тяге».

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin