Система электроснабжения нетяговых потребителей на электрофицированных железных дорогах переменного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Журавлев, Александр Николаевич

• Журавлев, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Журавлев, Александр Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ УЧАСТКАХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1 Особенности системы электроснабжения два провода — рельсы

1.2 Анализ заземления комплектной трансформаторной подстанции, питаемых от системы два провода — рельсы

1.3 Экспертные методы ранжирования факторов, определяющих безопасность обслуживания системы два провода - рельсы

1.4 Обзор устройств токовых защит отключения высоковольтных линий и оценка возможности их применения в системе два провода - рельсы

2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

2.1 Схема и электрические параметры системы электроснабжения нетяговых потребителей

2.2 Матричный метод расчета электромагнитных процессов в системе два провода - земля

2.3 Электрический расчет системы электроснабжения нетяговых потребителей методом симметричных составляющих

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСКУССТВЕННОГО ЗАЗЕМЛИТЕЛЯ КОМПЛЕКТНОЙ ТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ В СИСТЕМЕ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

3.1 Нормирование электрических параметров заземляющих устройств

3.2 Выбор сопротивления рабочего искусственного заземлителя трансформатора КТП исходя из требований отсутствия его термического поражения.

3.3 Обоснование сопротивления рабочего заземлителя в системе электроснабжения нетяговых потребителей исходя из требований электробезопасности.

3.4 Расчет сопротивления рабочего заземлителя системы электроснабжения нетяговых потребителей

4 МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ИХ РЕАЛИЗАЦИИ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЗАЩИТ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО МЕСТА НАРУШЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

4.1 Совершенствование токовой защиты в системе электроснабжения нетяговых потребителей от замыканий на землю

4.2 Методы и устройства определения расстояния от тяговой подстанции до места однофазного замыкания на землю воздушных проводов системы электроснабжения нетяговых потребителей

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система электроснабжения нетяговых потребителей на электрофицированных железных дорогах переменного тока»

В течение прошедших 76 лет, с момента, когда первый электропоезд с пассажирами прошел по участку Москва — Мытищи, протяженностью около 18 км., постоянно велось и ведется, совершенствование технических устройств электроснабжения с целью повышения их надежности, создавалось и внедрялось новое оборудование, новые технические системы на базе последних достижений науки и техники.

Железнодорожный транспорт является одним из крупных потребителей электрической энергии. Наряду с нагрузками электрической тяги и заводов по ремонту локомотивов, вагонов, значительную долю в электропотреблении составляют нагрузки нетяговых потребителей. Электроустановками нетягового электроснабжения ежегодно передается 6,4 млрд. кВт-ч электроэнергии.

К нетяговым железнодорожным потребителям относятся потребители электрической энергии всех служб железных дорог, кроме электрической тяги поездов, непосредственно связанные с эксплуатацией и расположенные на станциях и перегонах (наружное освещение, электрообогрев стрелочных переводов для отчистки от снега, электропитание путевого инструмента.).

Воздушные и кабельные линии напряжением до 1 кВ, расположенные вблизи железнодорожных путей, электрифицированных на переменном токе, подвержены опасным электромагнитным влияниям тяговой сети. В этих линиях индуцированные напряжения и токи могут представлять опасность для жизни и здоровья людей, обслуживающих эти линии. Поэтому большую актуальность имеет методика расчета магнитного и электрического влияния тяговой сети переменного тока BJI напряжением 25 кВ на воздушные и кабельные линии напряжением до 1000 В, а также меры защиты их от опасного влияния.

Электромагнитное влияние тяговой сети вносит изменения в электрические параметры линий электроснабжения нетяговых потребителей, наиболее ярко оно выражено у линий ДПР (два провода - рельс), в этих линиях в качестве одного из рабочих проводов применяется цепь рельсы - земля.

В конце 2000 г. Коллегией МПС РФ была утверждена «Программа электрификации участков железных дорог и переключения грузопотоков с тепловозных на электрифицированные ходы». К 2010 году намечается ф увеличить протяженность линий с электрической тягой до 49 - 50 тыс. км., т.е. до 57% общей длины железнодорожных путей.

В соответствии с этой программой на электрическую тягу переводятся тысячи километров, строятся линии с одновременной их электрификацией. Кроме того, предусматривается перевести ряд участков, электрифицированных ранее на постоянном токе на переменный ток.

Для повышения эффективности работы отрасли и получения максимального эффекта от инвестиций, особое внимание должно уделяться не только мероприятиям по строительству, но и реализации мероприятий по модернизации. В том числе и модернизации существующих систем электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог.

Цель работы. Целью диссертационной работы является обоснование fc системы электроснабжения нетяговых потребителей (СЭНП), в которой фаза С не подключена к рельсовому пути.

Для достижения поставленной цели разработаны методы и предложены технические решения, включающие:

- методику расчета коэффициента несимметрии по напряжению в СЭНП, учитывающую электромагнитное влияние систем тягового электроснабжения на показатели качества электрической энергии;

- обобщенный метод расчета электромагнитного влияния электрифицированных железных дорог переменного тока на СЭНП, в которой фаза С соединяется с искусственным заземлителем;

- алгоритмы расчета термической устойчивости искусственного заземлителя и условий электробезопасности в электроустановках СЭНП;

- методы и устройства их реализации, позволяющие определить расстояние от тяговой подстанции до места повреждения изоляции воздушных проводов СЭНП;

- технические решения по обоснованию СЭНП, в которой рельсовый путь непосредственно не используется для передачи электроэнергии от тяговой подстанции к распределенным по длине комплектным трансформаторным подстанциям.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели используется комплексный метод, включающий в себя анализ электромагнитных процессов в системе электроснабжения нетяговых потребителей, работающих в зонах электромагнитного влияния тяговых сетей и токов электровозов.

При решении поставленной цели использованы матричные методы расчета сложных и неоднородных систем, теория многополюсников, а также методы математической физики, включая операторный метод и метод переменных состояний для решения переходных процессов.

Анализ переходных процессов в линиях с распределенными параметрами выполнен с привлечением последней версии программы символьной (аналитической математики) - Maple 10 и последней версии программы схемотехнического моделирования — Micro-Cap 8.1.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснована методика расчета электромагнитного влияния электрифицированных железных дорог переменного тока на систему электроснабжения нетяговых потребителей при учете распределенных по длине комплектных трансформаторных подстанций (однофазных (КТПО) и трехфазных (КТП)), фаза С трансформаторов которых соединяется с естественным заземлителем;

- разработана математическая модель расчета напряжения на естественном заземлителе СЭНП, учитывающая наличие рельсового пути как цепи с распределенными параметрами;

- предложен алгоритм расчета допустимого сопротивления естественного заземлителя фазы С трансформатора КТП (КТПО), исходя из требований отсутствия его термического поражения и обеспечения условий электробезопасности при обслуживании электроустановок СЭНП; обоснованы методы определения расстояния от тяговой подстанции до места повреждения изоляции воздушных проводов фаз А и В СЭНП; подтверждена возможность использования методов парного сравнения и ранговой корреляции для выявления недостатков работы системы ДПР. Практическая значимость и внедрение результатов работы: Методика расчета электромагнитного влияния электрифицированных железных дорог на СЭНП позволила рассчитать один из основных показателей качества электрической энергии, а именно: коэффициент несимметрии на первичной стороне трансформатора КТП. Анализ уровней напряжений, возникающих на сопротивлении естественного заземлителя фазы С трансформатора КТП (КТПО), позволил предложить технические решения по обеспечению условий электробезопасности при обслуживании электроустановок СЭНП, включающие, в том числе, отказ от использования рельсового пути как естественного заземлителя для электроснабжения нетяговых потребителей.

Результаты расчета СЭНП по предложенному в диссертации алгоритму теплообмена в земли от тока, стекающему с естественного заземлителя, подтвердили ранее полученные выводы Рюденберга Р. о возможности термического поражения заземлителя; применительно к вертикально расположенному естественному заземлителю определено допустимое значение напряжения на заземлителе, исходя из требований отсутствия его термического поражения.

Методы определения расстояния от тяговой подстанции до места повреждения изоляции воздушных проводов СЭНП позволяют в условиях случайного характера сопротивления растеканию лежащего на земле провода увеличить производительность труда при поиске места повреждения. Научная новизна и практическая значимость предложенных в работе методов подтверждена патентами на полезные модели № 40266, 3. 2004111711/22, Б.И. № 25,2004 г., Гр. 10.09.2004 г., МПК В60МЗ/00 и №

41680, 3. 2004110155/22, Б.И. № 31,2004 г., Гр. 10.11.2004 г., МПК В60МЗ/00 [32, 33].

5. Использование экспертных методов оценки факторов, влияющих на ф надежность работы предлагаемой системы электроснабжения нетяговых потребителей, позволило наметить пути решения поставленной в диссертации задачи: разработки СЭНП на электрифицированных железных дорогах переменного тока.

Изложенные в п. 1—4 методики и полученные при их использовании результаты включены в совместный с ФГУП ВНИИЖТ сводный научно -исследовательский отчет «Технические решения на систему два провода -земля (ДПЗ) на электрифицированных участках переменного тока для питания нетяговых потребителей». Научно - исследовательский отчет передан в ЦЭ ОАО «РЖД». Предложение об использовании естественного заземлителя фазы С трансформатора КТП (КТПО) включено в проект «Инструкции по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных • дорогах. ЦЭ-191/93. МПС» и защищена патентами на полезные модели.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно -технических конференциях молодых специалистов МИИТа (2003 г., 2004 г.).

Отдельные положения диссертации в рамках совместной работы с ФГУП ВНИИЖТ докладывались в ЦЭ ОАО «РЖД» (2004 г.).

Работа докладывалась на совместном заседании кафедр «Теоретические основы электротехники» и научно - исследовательской лаборатории «Электробезопасность на Ж.Д. транспорте».

Публикации. По теме диссертационной работы имеются 10 публикаций, в том числе 3 патента Российской Федерации на изобретение.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и 4 приложений. Объем основного текста 171 страница, включая 11 таблиц и 35 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Журавлев, Александр Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ

1. Предложена система электроснабжения нетяговых потребителей на электрифицированных железных дорогах переменного тока, отличающаяся от известных заземлением фазы С трансформатора комплектной трансформаторной подстанции на искусственный заземлитель. Новизна предлагаемого технического решения подтверждена патентом.

2. Разработана методика расчета электрических характеристик искусственного заземлителя, исходя из требований обеспечения электробезопасности при обслуживании КТП и отсутствия термического поражения рабочего заземлителя КТП.

Показано, что сопротивление растеканию рабочего заземлителя фазы С комплектных трансформаторных подстанций (однофазных и трехфазных) СЭНП должно выбираться дифференцированно в зависимости от мощности трансформатора.

3. Обоснована методика электрического расчета системы электроснабжения нетяговых потребителей, находящейся в зоне электромагнитного влияния тяговой сети переменного тока.

В основу методики положен принцип представления электроустановок системы электроснабжения нетяговых потребителей (тягового трансформатора, воздушных проводов, трансформаторов КТП и т.д.) соответственно в виде активных и пассивных многополюсников.

Установлено, что основной показатель качества электрической энергии (коэффициент несимметрии по напряжению на нагрузке КТП) в предлагаемой системе электроснабжения нетяговых потребителей несколько ниже, чем в нашедшей применение на сети дорог системе два провода — рельсы.

4. Показано, что за счет взаимной индуктивности между контурами контактная сеть - земля и воздушный провод — земля системы электроснабжения нетяговых потребителей происходит передача активной энергии от тягового электроснабжения нетяговым потребителям.

Определены уровни потерь электроэнергии в воздушных проводах системы электроснабжения нетяговых потребителей на частотах, отличных от промышленной частоты в контактной сети, обусловленным спектральным составом тока преобразовательного электроподвижного состава.

5. Предложен принцип и разработана принципиальная схема защиты системы электроснабжения нетяговых потребителей при обрыве воздушных проводов и последующим их падением на землю.

Подтверждена возможность использования для построения защит от однофазных замыканий на землю импульсных перенапряжений, возникающих на предвключенных в фазы А и В индуктивностях.

6. Обоснованы методы и устройства для его реализации, позволяющие определить расстояние от тяговой подстанции до места повреждения изоляции воздушных линий системы электроснабжения нетяговых потребителей.

В основу первого из них положено условие, что в момент коммутации индуктивность может быть представлена в виде идеального источника тока. Новизна предлагаемого технического решения подтверждена патентом [34].

Второе предложение определения расстояния от тяговой подстанции до места нарушения изоляции воздушной линии основано на искусственном создании резонанса напряжения в цепи: внешний источник переменной частоты - предвключенная известная емкость - воздушная линия системы электроснабжения нетяговых потребителей. Новизна этого способа подтверждена патентом на полезную модель [33].

7. Экспертным путем выявлены факторы определяющие электробезопасность в электроустановках системы электроснабжения нетяговых потребителей.

Обработка мнений экспертов осуществлялась двумя методами: парного сравнения и ранговой корреляции. В частности экспертным путем установлена необходимость отказа от использования рельсового пути в качестве третьей фазы для питания нетяговых потребителей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Журавлев, Александр Николаевич, 2005 год

1. Автоматизация систем электроснабжения. Жарков Ю.А., Овласюк В .Я., Сергеев И.Г. и др. М.: Транспорт, 1990. - 359с.

2. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1965. -780 с.

3. Аррилага Дж., Бредли Д., Баджер П. Гармоники в электрических системах. М. Энергоатомиздат, 1988. - 240 с.

4. Асанов Т.К., Петухова С.Ю. Математическая модель трехпроводной электротяговой сети переменного тока. М.: Электричество. 1991. №1. — С. 15-21.

5. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. М.: Энергия, 1969. - 424 с.

6. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. М.: УМК МПС РФ, 2002. -637 с.

7. Веников В.А. Математические задачи в электроэнергетике. М.: Высшая школа, 1981.- 179с.

8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. — М.: Высшая школа, 2003. — 576 с.

9. Видмар М. Трансформаторы. М. - JI. ГОНТИ, 1931. - 592 с.

10. Володек. А.И. Электрические машины. JL: Энергия, 1974. - 840 с.

11. Гаврилов Л.П. Соснин Д.А. Расчет и моделирование линейных электрических цепей с применением ПК. — М.: Солон-Пресс, 2004. — 448 с.

12. Герман Л.А. Рогацкий В.Г. Переводчиков А.А. Определение места короткого замыкания на линиях продольного электроснабжения. // Электрическая и тепловозная тяга, 1977. №7, С. 18-19.

13. Герман Л.А. Тензорный метод расчета системы электроснабжения железных дорог. М.: Вестник ВНИИЖТ. 1988. №2. - С 23 - 26.

14. Герман Л.А., Калиник А.Л. Электроснабжение автоблокировки и электрической централизации. — М.: Транспорт, 1974. — 168 с.

15. Гинзбург С.Г. Методы решения по переходным процессам в электрических цепях. М.: Советское радио, 1954. — 257 с.16.