Міністерство транспорту України

Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту

Корнієнко Володимир Володимирович

УДК 621.331.1

СИСТЕМА ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ТЯГИ ЗМІННОГО СТРУМУ

З ПОДОВЖЕНИМИ МІЖПІДСТАНЦІЙНИМИ ЗОНАМИ

05.22.09 - Електротранспорт

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

м. Дніпропетровськ – 2002 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електропостачання залізниць Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту (ДІІТ) Міністерства транспорту України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Доманський Валерій Тимофійович,

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бадер Михайло Петрович, Московський державний університет шляхів сполучення, Росія, завідувач кафедри

електропостачання залізниць;

Провідна установа : Харківська державна академія залізничного транспорту Міністерства

транспорту України, кафедра систем електричної тяги, м. Харків.

Захист відбудеться “ ” березня 2002 р. о 14 годині 10 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.820.01 при Дніпропетровському державному технічному університеті залізничного транспорту за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, вул. Ак. В.А.Лазаряна, 2, ауд.314.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту.

Автореферат розісланий “ ” лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Костін М.О.

ЗАГАЛЬНА характеристика рОботИ

Актуальність роботи. Залізничний транспорт є однією з енергоємних галузей економіки України. Споживання електроенергії досягає 4,7% від загального обсягу, а витрати на оплату електроенергії по Укрзалізниці склали в 2000 році 980 млн. грн. чи 9,5% від загальних витрат. В умовах необхідності ресурсозбереження та економії електроенергії особливо актуальною стає задача впровадження на електрифікованих залізницях електротягових систем, що дозволяють забезпечити необхідну вантажонапруженість і зниження електроспоживання та істотне зменшення витрат на електрифікацію.

Відома система електропостачання тяги змінного струму 27,5 кВ зі зворотнім (екрануючим) і посилюючим проводами (ЕПП) і відстанями між підстанціями 40-60 км, що забезпечує економію енергоресурсів на тягу поїздів. Тягова мережа з ЕПП має більш низьке значення опору і дозволяє для існуючих і прогнозованих розмірів руху в 1,5-2 рази збільшити відстань між тяговими підстанціями в порівнянні зі звичайною системою 27,5 кВ, що істотно знижує витрати на будівництво. Для широкого впровадження на Україні системи ЕПП з раціонально подовженими міжпідстанційними зонами варто виконати дослідження та обґрунтування параметрів тягової мережі, умов електробезпечності рейкового кола і впливу на суміжні спорудження.

У зв'язку з вищевикладеним тема роботи актуальна і її виконання доцільне як з погляду підвищення ефективності роботи електрифікованих залізниць, так і з погляду загальнодержавної задачі по економії електричної енергії і зниженню витрат на електрифікацію залізниць.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень виконаний відповідно до Державної програми електрифікації залізниць на 1994 – 2004 роки, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України №115 від 22.09.1994 р. і Комплексною державною програмою енергозбереження України, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України №148 від 05.02.1997 р. (розділ ”Транспорт”).

У дисертації враховані вимоги підвищення техніко-економічних показників ліній, що електрифікуються, передбачені програмою енергозбереження залізничного транспорту України на 1996 – 2010 роки (схвалена техніко-економічною радою Укрзалізниці 24.06.96 р., протокол №5, розділи 1,2,4), а розглянуті в ній дослідження включені в плани робіт Організації Співдружності Залізниць (ОСЗ), (розділи 10.1, 10.2, 10.4).

Частина приведених у дисертаційній роботі наукових результатів отримана в процесі виконання науково-дослідних робіт у ДІІТі по темі 23.02.00.01 “Розробка технології енергооптимального керування пристроями електропостачання електрифікованими ділянками залізниць”, номер держреєстрації 0101U002583.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення енергетичної ефективності електротягових систем змінного струму.

Для досягнення поставленої мети розглянуті і вирішені наступні задачі:

-

-

-

-

-

-

Об'єкт дослідження – процес удосконалення системи тягового електропостачання змінного струму і підвищення її енергетичної ефективності.

Предмет дослідження – подовження міжпідстанційних зон у системі тягового електропостачання змінного струму.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження виконувалися з використанням методів розрахунку кіл із взаємними індуктивностями, матричних методів розрахунку, математичного моделювання, методу синтезу еквівалентних схем заміщення. Експериментальні дослідження виконувалися з використанням сучасних інформаційно – діагностичних комплексів “Реґіна” інституту електродинаміки НАН України. При обробці експериментальних даних використовувався апарат математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

-

-

-

-

-

Викладені в роботі основні положення, методи розрахунку, висновки і рекомендації підтверджені строгістю теоретичного обґрунтування, зіставленням результатів аналітичного розрахунку з даними, отриманими на математичних моделях, порівнянням з експериментальними дослідженнями, відмінність між різними параметрами яких лежать у межах 1,8 ? 3,8 %.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено пропозиції в програму ресурсозбереження Укрзалізниці, що дозволяють знизити витрати на електрифікацію 1 км колії ділянок Здолбунів – Рівне – Ковель – Ізов Львівської залізниці у 1,5 - 2 рази в порівнянні з витратами на електрифікацію аналогічних по профілю ділянок залізниць. Запропоновано методику економічних режимів експлуатації електротягової мережі ЕПП – 27,5 кВ, що дозволяє мінімізувати перетоки і у сполученні з диференційними тарифами істотно (від 2 до 6 %) знизити оплату за споживану електроенергію ділянки Підбірці – Красне – Тернопіль – Підволочиськ Львівської залізниці.

Запропоновано удосконалену конструкцію заземлення екрануючого проводу, (раціональне поєднання індивідуальних заземлень і колійових дроселів-трансформаторів), що дозволила відмовитися від тросів групового заземлення опор. Це, у свою чергу, знижує несиметрію рейкового кола і підвищує надійність роботи автоблокування, електробезпеку і в цілому безпеку руху поїздів.

Розроблені технології удосконалення електротягових систем, що дозволяють забезпечити зменшення вартості будівництва, необхідну вантажонапруженість і зниження електроспоживання, включені в міжнародну програму розвитку залізничного транспорту країн ОСЗ на 2002 р. і перспективу.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював мету, задачі дослідження, наукові положення, виконав теоретичну частину роботи, брав участь у проведені експериментів. Автору дисертації належать: - визначення напрямків розвитку електротягових систем і концепція енерго- і ресурсозбереження [4 - 6]; - наукові положення розрахунку електричних параметрів системи ЕПП – 27,5 кВ з подовженими міжпідстанційними зонами [7, 8]; - наукові положення розрахунку потенціалів рейкового кола [3]; - постановка задач і аналіз результатів [9, 10]. Роботи [1, 2] написані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися і були схвалені на: техніко-економічній раді Львівської залізниці (протокол №23 від 24.02.99 про електрифікацію ділянки Рівне-Луцьк м. Львів, 1999 р.); науково технічних радах Главку ЦШЕВТ Укрзалізниці за участю головних інженерів залізниць (м. Дніпропетровськ, 09-10 вересня 1999 р.); на міжнародній науково-методичній раді за фахом “Електропостачання залізничного транспорту” (м. Дніпропетровськ, 4–6 липня 2000 р.); 7th, 8th International Scientific Conference of Railway Experts JYЖЕЛ-2000 (Yugoslavia, Vrnjacka Banja, october 4-6, 2000 р.); науково технічних радах Главку ЦЕ Укрзалізниці (м. Київ, 2000, 2001 р.); нараді експертів по пристроях електропостачання та електричної тяги ОСЗ (м. Вільнюс, Литовська республіка, 29-31 травня 2001 р.); міжнародному симпозіумі Eltrans 2001 „Електрифікація і розвиток залізничного транспорту Росії. Традиції, сучасність, перспективи” (м.Санкт-Петербург, 23-26 жовтня, 2001 р.).

Повністю дисертаційна робота у 2001 р. розглядалася і була схвалена на розширеному засіданні кафедри “Електропостачання залізниць” ДІІТу.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 10 статтях: 5 – у фахових журналах, 3 – у наукових збірниках, 2 – у працях міжнародних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, викладених на 159 сторінках машинописного тексту, що містить 43 рисунки, 50 таблиць, список використаних джерел на 12 сторінках, що включають 115 найменувань і 5 додатків на 72 сторінках. Повний обсяг дисертації складає 231 сторінку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, що розв’язується в дисертації, сформульована її мета, наукова новизна і практична цінність.

В першому розділі виконаний аналіз вітчизняних і закордонних електротягових систем змінного струму, обґрунтована і запропонована концепція їхнього розвитку, що забезпечує ресурсо- і енергозбереження. Показано, що значні теоретичні дослідження багатопровідних систем живлення змінного струму були виконані у ВНДІЗТі, МІІТі, РІІЗТі, а також в інших науково – дослідницьких інститутах України, Росії, Німеччини, Японії.

Серед робіт присвячених проблемі підвищення енергетичної ефективності тягових мереж змінного струму, найбільш важливі результати отримані в працях учених залізничного транспорту: М.П. Бадера, О.С. Бочева, А.Т. Буркова, Б.М. Бородуліна, О.Л. Бикадорова, В.Л. Григор'єва, Т.П. Добровольскіса, Б.С. Динькіна, В.Т. Доманського, Ю.І. Жаркова, Б.І. Косарєва, Р.М. Карякіна, О.В. Котельникова, К.Г. Марквардта, Г.Г. Марквардта, Р.Р. Мамошина, І.В. Павлова, В.М. Пупиніна, С.М. Сєрдінова, Е.В. Тер – Оганова, Е.П. Фігурнова, М.Г. Шалімова.

Разом з тим у фундаментальних дослідженнях, відзначених вище авторів, не розглядався ряд проблем, що є пріоритетними в сучасних умовах. У першу чергу це відноситься до необхідності зниження витрат на електрифікацію при одночасному зниженні втрат електроенергії в тяговій мережі. Ці вимоги часто знаходяться в протиріччі.

Процес удосконалення електротягових систем у напрямку ресурсо- і енергозбереження має на меті вирішення наступних задач:

-

-

Це і визначило основний напрямок досліджень у дисертаційній роботі – підвищення енергетичної ефективності електротягової мережі змінного струму.

У розділі проведена також оцінка конструктивних особливостей контактної мережі, кола зворотнього струму і способів заземлення екрануючого проводу системи, ЕПП-27,5 кВ. Тягова мережа ЕПП-27,5 кВ містить у собі посилюючий провід (П), несучий трос (Т) і контактний провід (К), що з'єднані паралельно. Екрануючий провід (Е) підключений паралельно рейкам Р1, Р2 через нульові точки колійових дроселів-трансформаторів (ДТ) і через землю при індивідуальних заземлювачах (ІЗ). Аналіз закордонних джерел показав, що з розрахунку і за результатами вимірів на частку проводів зворотнього струму приходиться близько 32% усього зворотнього струму, а частка зворотнього струму, що протікає по землі, складає 23%. У системі без проводів зворотнього струму частка струму, що протікає по землі, досягає 40%, а по рейках 60%.

Реальне значення струму Е для різних типів проводів складає 35-45% загального струму та обмежується власним опором пристроїв, що заземлюють. Представляє практичний і теоретичний інтерес запропонований автором дисертації комбінований спосіб підключення проводу Е до ДТ, і до ІЗ у визначеному сполученні і з варіюванням відстані L між двома сусідніми спусками. Експериментальні дослідження цього способу, дали позитивний ефект і дозволили на 5?10% підвищити значення струму в Е, а значить і ефективність системи ЕПП і можливість подовжити міжпідстанційні зони.

Істотну роль в енергозберігаючих технологіях грають режими роботи систем електричної тяги і зовнішнього електропостачання. Експериментальні дослідження режимів роботи тягових підстанцій підтверджують наявність перетоків. Так на рис.1а явно видно перевагу перетоків над електроспоживанням на тягу. Паралельно працююча електротягова мережа 27,5 кВ і мережа 110 чи 220 кВ різнорідні і передача потужності по них відбувається при збільшеному значенні втрат активної потужності та енергії, тобто при зниженій економічності роботи мережі в цілому. З рис.1б слідує, що електроспоживання різних тягових підстанцій різко відрізняється по місяцях (при приблизно однаковому вантажообігу в ці місяці). Перехід до консольних схем живлення дозволив зменшити сумарне електроспоживання групи з п'яти підстанцій приблизно на 500 тис. квт•год на місяць.

Установлено, що при вантажопотоках, що змінюються, і великих перетоках енергії економічно вигідними для залізниць є консольні схеми живлення. Втримати на довгих консолях необхідний рівень напруги дозволяє система електричної тяги ЕПП-27,5 кВ. Якщо ж для енергосистем економічно виправданими є складні-замкнуті мережі (розподіл активних і реактивних навантажень економічніший при збереженні перетоку по мережі), то необхідно вводити диференційні тарифи при транзиті потужності по тягових мережах.

В другому розділі розглянуті теоретичні і практичні питання визначення питомих опорів подовжених зон тягової мережі ЕПП-27,5кВ. У зв'язку зі збільшенням числа провідників як у контактній мережі, так і в рейках, і значно більшою кількістю взаємних індуктивних зв'язків, ніж у звичайній системі, трудомісткість визначення комплексних значень питомих опорів для тягової мережі ЕПП-27,5кВ істотно ускладнюється. Використання для цієї мети класичного методу шляхом розв’язку систем рівнянь, що враховують усі взаємні індуктивні зв'язки, вимагає досить великих витрат часу для складання і введення в ЕОМ матриць вихідних даних. Такий метод придатний власне кажучи лише для дослідницьких цілей. Значно простіше задача розв’язується за допомогою методу середньогеометричних відстаней, що має важливе значення для інженерної практики. Однак, точність останнього методу нижче, для тягових мереж ЕПП-27,5кВ він не застосовувався і у задачу роботи входило дослідження виникаючих при цьому похибок шляхом порівняння результатів розрахунку обома методами для однакових вихідних даних.

Система рівнянь для тягової мережі ЕПП-27,5 кВ повинна містити не менш 10 рівнів з відповідними крайовими умовами. Такі рівняння та умови в роботі приведені. Описано методику їхнього рішення для обчислення значень струмів у кожному із провідників контактної мережі та у колі зворотнього струму. Опір тягової мережі при цьому обчислюється як відношення суми спадів напруги в контактній мережі і колі зворотнього струму до струму мережі.

Розрахунки виконані на ЕОМ при представленні усіх величин у комплексній формі. Отримано абсолютні значення коефіцієнтів розподілу струму (часток струму фідера) по проводах тягової мережі для різних марок проводів. Показано, що, з огляду на збільшені міжпідстанційні зони і можливість зосередження на них великого числа поїздів, варто використовувати в тяговій мережі з ЕПП посилюючі проводи марок А185 чи 2А95, навантажувальна здатність при цьому зростає в 1,5 рази в порівнянні зі звичайною мережею. У випадку застосування проводів 2А95 забезпечується додаткове зниження індуктивної складової опору на 8-9 %, що сприяє стабілізації рівня напруги в тяговій мережі.

Експериментальна перевірка виконувалася на двоколійній ділянці Клєвань-Цумань, тягова мережа ЕПП на якій змонтована лише на одній колії (ПБСМ95+МФ100+А150, Р65+А120). Обчислене вказаним шляхом значення повного погонного опору склало 0,328 Ом/км. Дослідне значення цього опору визначалося шляхом знаходження відношення напруги живлення тягової мережі до струму, замкнутого накоротко на рейки контактної мережі довжиною 8.8 км. Проведено 5 досліджень короткого замикання, середнє значення опору дорівнює 0.334 Ом/км із середньоквадратичним відхиленням 0.0055 Ом/км. При використанні інтегральної функції розподілу Стьюдента з довірчою ймовірністю 0,95 дослідне значення погонного опору тягової мережі склало 0,334 0,015 Ом/км і відрізняється від розрахункового на 1.8%.

Розрахунки по визначенню погонних опорів тягової мережі значно спрощуються, якщо здійснити індуктивну розв'язку тягової мережі, тобто представити її у вигляді контурів, що не мають взаємного індуктивного зв'язку. Зрозуміло, що струми у всіх вузлових точках при цьому змінюватися не повинні. При віддаленні навантаження чи точки короткого замикання від підстанції на відстань більш 5-7 км у ланцюзі зворотнього струму протікає лише наведена складова, прийнята на всій цій відстані однаковою – у екрануючому проводі Iе,н, у рейках Iр,н:

; , (1)

де Iм – струм контактної мережі, zмр , zре , zме – погонні опори взаємоіндукції між контурами відповідно “контактна мережа-земля” і “рейка-земля”, “рейка-земля” і “ екрануючий провід - земля”, “контактна мережа-земля” і “екрануючий провід-земля”, Ом/км; zр-з zе-з - погонні опори контурів відповідно “рейка-земля” і “екрануючий провід-земля”, Ом/км.

Зі спільного розвязку цих рівнянь знаходяться струми Iе,н и Iр,н . Результуючий наведений струм Iнав у колі зворотнього струму дорівнює Iнав = Iр,н + Iе,н = м Iм , де

. (2)

Розрахунки показують, що для тягової мережі ЕПП-27,5 кВ на одноколійній ділянці =0,746+j0,059=0,748exp(j4,52°). В зв'язку з малістю аргументу можна приймати для одноколійної ділянки =0,75. Аналогічні розрахунки для двоколійної ділянки дали =0,82.

Тягову складову струму у свою чергу представимо у вигляді суми струмів і . Струм дорівнює середньому значенню тієї частини струму , що відгалужується в землю. Струм дорівнює середньому значенню іншої частини тягової складової, яка протікає по рейках і екрануючому проводі: , де - коефіцієнт, що враховує зниження значення тягової складової струму в рейках і екрануючому проводі, за рахунок шунтуючого впливу землі.

Середнє по довжині лінії значення струму в колі зворотнього струму дорівнює:

. (3)

Коефіцієнт , що враховує витікання струму зі зворотнього кола в землю, звідси, дорівнює:

. (4)

Для обчислення коефіцієнта (01) систему рейкове коло - земля звичайно розглядають як довгу лінію з рівномірно розподіленими параметрами. У дисертації показано, що таку систему на ділянці між підстанцією і навантаженням можна представити в більш зручній формі у вигляді трьох П-подібних чотириполюсників (див. рис.2). У ній враховано, що екрануючі проводи, і рейки досить часто (через 2-3 км) з'єднані. Індекс “ р ” відноситься до опорів чотириполюсників рейкового кола, індекс “ е ” відноситься до опорів чотириполюсників кола екрануючого проводу.

Рис. 2. Схеми заміщення кола зворотнього струму

Результуючий опір кола зворотнього струму для тягової складової струму і коефіцієнти и дорівнюють:

; ; . (5)

Коефіцієнти і виражені гіперболічними функціями. Для практичних розрахунків по визначенню коефіцієнта можна рекомендувати спрощену формулу:

, (6)

де — еквівалентне значення коефіцієнта, що враховує витікання тягової складової струму в землю. Помилка при цьому не перевищить, як правило, 2—3 %. Дослідження показують що фазовий кут коефіцієнта складає всього лише 3-5 градусів, тому значення =1 для одноколійної ділянки і =2 для двоколійної ділянки можна оцінювати тільки з модулями: 0.75011, 0.72521.

У третьому розділі розроблена спеціалізована імітаційна модель для дослідження режимів роботи багатопровідних електротягових систем змінного струму. На додаток до цієї моделі вперше виконано комп'ютерне моделювання режимів роботи системи ЕПП-27,5 кВ з подовженими зонами з використанням програмних продуктів високого ступеня універсальності в області електротехніки Electronics Workbench (EWB).

У спеціалізованій моделі на базі теорії графів створений єдиний підхід розрахунку схем будь-якого ступеня складності ділянок постійного і змінного струму в тому числі і ЕПП-27,5 кВ. Модель дозволяє визначити миттєві, середні, ефективні струми, втрати напруги і потужності в будь-якій точці контактної мережі чи рейкового кола з врахуванням зовнішньої мережі електропостачання.

Граф тягової мережі імітаційної моделі ЕПП-27,5 кВ подовжених міжпідстанційних зон розглянемо на обмеженій кількості вершин Vs V і ребер Ls L, включивши в підграф Gs (Vs , Ls ), зображений на рис.4, лінії ЛЕП енергосистем, що живлять одну міжпідстанційну зону і рейкові кола, причому a is , b is Vs и ?is Ls. Множина Vs {1, 2 … ms} містить ms = q + к + т + m + n + p вузлів, що пронумеровані порядковими числами, де q вузлів має зовнішня система електропостачання, де, т, m, n – відповідно проводи К, Т, П, Е двох шляхів, Р - об'єднане рейкове коло двох шляхів.

Принциповою відмінністю побудови цього графа є його структурування, врахування рейкового кола, системи зовнішнього електропостачання, можливість моделювання будь-яких комбінацій і кількостей з'єднань проводів Е з ІЗ і ДТ і варіюваня в широких межах значеннями перехідних опорів рейка-земля.

Рис. 4. Граф електротягової мережі: а - вітки проводів ЛЕП; б,в,г,д - вітки проводів Т, К, П, Е;

e - вітки еквівалентної рейки; ж,з - вітки перехідних опорів ІЗ.

Струморозподіл, спадання напруги на ділянці мережі від будь-якого вузла до базисного, повні втрати потужності та інших параметрів обчислюються по класичних виразах теорії графів і розріджених матриць. Результати імітаційного моделювання та експерименту приведені в табл.3.

Таблиця 3

Результати імітаційного моделювання і експерименту для ділянки Клєвань – Цумань

Струми і напруги проводів | Підключення екрануючого проводу

до ІЗ | до ІЗ і ДТ

Напруга живлення U1, В | 139,16/142,0* | 142,80/140,0

IМ, А | 45,08/46,0 | 53,56/52,0

Напруга в точці вимірів U2, В | 108,39/110,6 | 104,44/101,4

IК, А | 17,65/18,2 | 19,01/19,6

IТ, А | 10,51/10,2 | 11,45/11,8

IП, А | 16,98/17,5 | 19,59/20,2

IЕ, А | 11,85/11,5 | 12,88/12,5

* - результати експерименту

Нові можливості дослідження процесів у тяговій мережі з ЕПП відкриває її комп'ютерне моделювання, зокрема за допомогою програми Electronics Workbench. Таке моделювання тягової мережі в літературі практично не описано, а його застосування дозволило автору визначити пропускну спроможність тягової мережі з подовженими фідерними зонами в нормальному режимі, у режимі пропуску поїздів підвищеної маси, у режимі реалізації швидкісного руху, а також вперше здійснити самий точний з відомих аналіз режиму перекриття нейтральної вставки. Рівні напруг електровозів на міжподстанційній зоні довжиною 96 км у нормальному режимі роботи показані на рис.5.

Збільшення відстані між підстанціями в два рази в вимушених режимах приводить до зниження рівня напруги на електровозі нижче припустимого. У цьому випадку доцільно застосовувати схему виносних фідерів з утворенням трьох ділянок: поблизу тягових підстанцій з консольним живленням і зони двостороннього живлення зменшеної довжини.

Результати моделювання пропускної здатності використані в базах даних проектно-вишукувального інституту транспортного будівництва (Київдіпротранс). Застосування таких даних, а також довідкових таблиць з розділу 2 сприяли значному підвищенню якості проектування, вибору раціональної довжини міжпідстанційних зон.

Для дослідження режимів перекриття нейтральної вставки використовувалися схеми заміщення роботи одноколійної і двоколійної ділянок електропостачання (рис.6). На цих ділянках проведені досліди нормальних режимів роботи, короткого замикання (КЗ) і перекриття нейтральної вставки з максимальним, мінімальним навантаженнями, а також при відсутності поїздів на зонах між ПС1 і ПС2.

Аналіз результатів вимірів показує, що на ПС1 як для одноколійних, так і для двоколійних ділянок зона векторів опорів при перекритті нейтральної вставки не попадає ні в зону опорів нормального навантаження, ні в зону векторів опорів при різних режимах коротких замикань і може бути відрегульована на 10?. У той же час на ПС2 зона векторів опорів при перекритті нейтральної вставки близько стикається з зоною векторів опорів нормального навантаження. Зони векторів опорів при різних режимах показані на рис.7.

Таким чином вперше визначено, що для комплекту релейного захисту, встановленого на ПС1 можна застосувати такий вимірювальний орган, що буде реагувати на режим перекриття нейтральної вставки і не реагувати на режим короткого замикання і режим нормальної роботи. А, значить, буде забезпечувати селективність захисту.

У четвертому розділі вперше проведені широкомасштабні випробування тягової мережі подовжених зон з ЕПП і розроблено аналітичний метод визначення потенціалів рейок при короткому замиканні контактної мережі на рейку. Показано особливості експлуатації і технічного обслуговування тягової мережі.

Система ЕПП з подовженими до 100 км і більше міжпідстанційними зонами, у тому числі при консольному живленні, дотепер не досліджувалася. Тому для виключення ризику і забезпечення широкого впровадження її на залізницях України при електрифікації ділянки Здолбунів-Рівне-Ківерці була створена експериментальна ділянка, схема якої показана на рис.8.

Автором дисертації розроблена програма іспитів з використанням найсучаснішого устаткування. Основні іспити проводилися при подачі в тягову мережу напруги 220 В частотою 50 Гц від спеціального трансформатора, необхідна потужність якого була підібрана на імітаційній моделі. Контрольні іспити проводилися при подачі в контактну мережу напруги 27,5 кВ. Запис осциллограмм струмів і напруг здійснювалася інформаційно-діагностичним комплексом “Regina”. Узагальнюючі дані, отримані при вимірах приведені в табл.3. При вимірі наведеної напруги в ізольованому проводі довжиною 1 м отримані наступні дані: якщо відстань ізольованого проводу від зовнішньої рейки дорівнює 6 м і екрануючий провід, підключений до ІЗ, то Uнав = 11,9 мВ, при підключенні до ІЗ і ДТ значення Uнав = 10,6 мВ; у випадку відстані 20 м ці значення склали 3,9 і 3,1 мВ відповідно. Крім того, визначені потенціали Uр.з. щодо зовнішньої рейки при короткому замиканні: у випадку відддалення від рейки на 2 м і підключення до ІЗ значення Uр.з. =1,17 В, а при підключення до ІЗ і ДТ значення Uр.з. =0,87 В; у випадку віддалення на 3 м ці значення складають 1,16 В и 0,86 відповідно. Потенціал опори зі спуском, що заземлює, при КЗ у випадку підключення до ІЗ дорівнює U1 = 4,2 мВ, а напруга в точці виміру U2 = 4,1 мВ; при підключенні до ІЗ і ДТ значення U1= 0,4 мВ и U2 = 0,8 мВ відповідно.

Дослідження тягової мережі з ЕПП підтвердили вірогідність електротехнічних розрахунків при проектуванні, дозволили уточнити цілий ряд параметрів для подовжених міжподстанційних зон, дати рекомендації по раціональному розміщенню проводів тягової мережі з ЕПП на опорах контактної мережі, вибрати оптимальні перетини, поліпшити конструктивні й експлуатаційні характеристики і знизити на 20% витрати на електрифікацію ділянки Здолбунів – Рівне – Ківерці – Ковель.

Теоретично визначено і експериментально перевірено раціональне поєднання індивідуальних заземлень екрануючого проводу, і з'єднання його зі колійовими дроселями-трансформаторами. Запропоновано удосконалену конструкцію для практичної реалізації прокладки спусків від екрануючого проводу до нульової точки дроселя-трансформатора. Встановлено, що в поєднанні з індивідуальними заземленнями (через 200 м) запропонована конструкція дозволила відмовитися від тросів групового заземлення опор. Показано, що це у свою чергу знижує несиметрію рейкового кола і підвищує надійність роботи автоблокування, електробезпечність і в цілому безпеку руху поїздів.

З огляду на важливу роль умов електробезпеки при КЗ на контактній мережі під час робіт, що супроводжуються дотиком працюючих до рейок, у розділі цьому питанню приділена особлива увага. Найбільшого значення потенціал рейок досягає на одноколійній ділянці в літню пору при сухому ґрунті і взимку при промерзлому баласті. На рис. 9 приведені криві відносного значення потенціалу ох точки 0 (ох = о / Iм) для тягової мережї з ЕПП (1, 2, 3, 4) і мережі без екрануючого і

підсилюючого проводів (5,6). Тут L12- відстань від підстанції до місця струму навантаження чи струму короткого замикання, що стікає в рейку; ох – умовний опір між рейкою і далекою землею, спад напруги на якому, від струму навантаження чи струму короткого замикання, що стікає з рейки, створює потенціал рейки. Напруга дотику до рейок Uдот визначають як:

Uдот = дотр, | (14) | де дот – коефіцієнт дотику; р – потенціал рейок (напруга щодо далекої землі). За даними робіт Р.М. Карякіна для сухого літнього періоду коефіцієнт дотику дорівнює приблизно 0,94. Відповідно до робіт Б.І. Косарєва рекомендується приймати для рейок дот = 0,95, а для опори = 0,554. Відповідно до теорії Е.Зунде потенціал землі поблизу рейкової колії щодо точки нульового потенціалу визначається по формулі:

(15) | де р – коефіцієнт поширення рейкового кола, 1/м; - питомий електричний опір ланцюга, Ом·м; ? - функція Зунде першого роду.

У цій формулі U = рx, V= рa , де х – відстань від точки додатка навантаження 0 до розглянутої точки на рейках, м; а - відстань від рейок до розглянутої точки землі, м.

З використанням цієї формули отримано вираз:

Розрахунок по формулі (16) для сухого літнього часу дає значення коефіцієнта дотику близько 0,98. Таким чином, усі три відомі методики визначення коефіцієнта дотику в рівних умовах дають приблизно однакові результати. Для рейкових кіл значення цього коефіцієнта близько до 1. Отже, за напругу дотику можна приймати значення р. Припустиме значення напруги дотику при відключенні струму короткого замикання з витримкою часу захисту 0,5 с складає 200 В. При струмі короткого замикання 2000 А для тягової мережі з ЕПП напруга дотику нижче допустимого, тоді як у звичайній мережі 27,5 кВ вона вище допустимого (див. рис.9).

Встановлено, що потенціали кола зворотнього струму мають значення в два рази менше, ніж у тяговій мережі без екрануючого проводу. Наявність екрануючого проводу з індивідуальними заземлювачами знижує найбільше значення потенціалу зворотного кола більш ніж у 3,5 рази. Таким чином, за умовами електробезпеки тягова мережа з ЕПП істотно перевершує звичайну тягову мережу 27,5 кВ.

У п'ятому розділі дисертаційної роботи вперше встановлена залежність втрат енергії в тяговій мережі з ЕПП від довжини міжпідстанційної зони в порівнянні зі звичайною системою живлення. Технічна межа збільшення міжпідстанційної зони обмежена допустимим мінімальним рівнем напруги в контактній мережі. Втрати енергії в тяговій мережі при цьому можуть виявитися більші, ніж при звичайній системі 27,5 кВ. В умовах постійного росту цін за електроенергію цей фактор здатний вплинути на економічні показники системи ЕПП, тому він вимагає більш детального розгляду .

Нехай електрифікується ділянка довжиною L, яка складається з декількох одинакової довжини міжпідстанційних зон. Довжину міжпідстанційної зони і активний опір тягової мережі 27,5 кВ позначимо відповідно 1 и r1, а для мережі ЕПП приймемо позначення 2 и r2. Приймемо 2 = а1 Використовуючи залежності, отримані К.Г. Марквардом, одержимо вираз для визначення відношення втрат електроенергії в звичайній тяговій мережі і мережі ЕПП-27,5 кВ і знайдемо таке значення коефіцієнта а = а0, при якому втрати електроенергії в звичайній тяговій мережі і системі ЕПП будуть однакові.

, (17)

де V – середнє значення швидкості поїзда, км/год; N0 – пропускна здатність ділянки, поїздів; N – добові розміри руху, поїздів; - відношення часу ходу поїзда в міжпідстанційній зоні до часу його ходу під струмом; - міжпоїзний інтервал.

Активний опір тягової мережі 27,5 кВ дорівнює 0,224 Ом/км, а тягової мережі ЕПП при використанні в якості посилюючого і зворотнього проводів троса марки А185 – 0,125 Ом/км. Приймемо середнє значення V=60км/год, =1,2, =0,167 год, =50 км. В дисертації приведені розраховані при цій умові а0 і довжині міжпідстанційних зон для системи ЕПП, при яких втрати енергії в тяговій мережі не перевищують втрат у звичайній тяговій мережі при =50 км і показано, що при довжині міжпідстанційної зони 70-80 км (у залежності від розмірів руху) втрати електроенергії в тяговій мережі ЕПП не перевищують відповідних втрат, що мають місце при звичайній системі. Отже, при км ЕПП завжди економічно вигідніше, ніж 27,5 кВ. При більш протяжних міжпідстанційних зонах втрати енергії в системі ЕПП будуть більші. Розрахунки при I=200A, U=25000B, =1,2, V=60 км/год, =0,1678 год. приведені в табл.4, в якій значення в дужках відповідають коефіцієнту збільшення (чи зниження) втрат стосовно втрат у звичайній тяговій мережі (ТП) при відстані між підстанціями 50 км.

Таблиця 4

Коефіцієнти збільшення втрат звичайної тягової мережі і мережі ЕПП – 27,5 кВ

N | N/N0 | Відсоток втрат Пве електроенергії в тяговій мережі при довжині міжпідстанційної зони, км, для тягової мережі видів

ТП | ЕПП

50 | 70 | 80 | 90 | 100 | 110

14 | 0,1 | 2,26 | 1,89(0,83) | 2,21(0,98) | 2,56(1,13) | 2,93(1,3) | 3,31(1,46)

29 | 0,2 | 2,58 | 2,24(0,87) | 2,7(1,05) | 3,19(1,24) | 3,76(1,44) | 4,27(1,66)

58 | 0,4 | 3,19 | 2,94(0,92) | 3,64(1,14) | 4,40(1,38) | 5,22(1,64) | 6,11(1,92)

86 | 0,6 | 3,78 | 3,63(0,96) | 4,55(1,2) | 5,56(1,47) | 6,68(1,77) | 7,9(2,09)

Для аналізу економічної ефективності системи ЕПП-27,5 кВ у дисертаційній роботі використаний метод дисконтованого строку окупності додаткових капіталовкладень з урахуванням фактора часу. Різниця зведених витрат між двома варіантами електрифікації (звичайна тягова мережа і мережа ЕПП-27,5кВ) визначиться наступною формулою:

, (18)

де - різниця експлуатаційних витрат у t-ому році; - коефіцієнт, що враховує щорічне зростання тієї частини експлуатаційних витрат, що залежить від вартості електроенергії й обслуговування. п, к – амортизаційна квота відповідно для підстанцій і контактної мережі,%, Кп – вартість однієї тягової підстанції; n– число тягових підстанцій на лінію довжиною L; Кк – вартість одного км контактної мережі, w – середньорічне питоме електроспоживання на 1 км тягової мережі, Pтп – витрати на утримання однієї тягової підстанції; Се – вартість 1 квт• год електроенергії; Wвп – річна витрата електроенергії на власні потреби однієї підстанції.

У відмінності від класичного визначення приведених витрат, запропонований вище вираз містить у собі коефіцієнт а, завдяки чому з'являється можливість при проектуванні електрифікованої ділянки вибирати найбільш раціональну довжину міжпідстанційної зони. Розрахунки показали, що в доступній для огляду перспективі тягова мережа ЕПП при новому будівництві і відстанях між підстанціями 80-100 км економічно завжди більш вигідна, чим звичайна тягова мережа. Але й у майбутньому, якщо коли-небудь, вантажообіг зросте до значень понад 50 млн. т-км брутто на км рациональною стане система ЕПП-27,5 кВ із пересувними підстанціями.

ВИсновки

У дисертаційній роботі на основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень вирішена важлива науково-технічна проблема підвищення енергетичної ефективності електротягових систем, що дозволяє забезпечити і необхідну вантажонапруженість, і зниження електроспоживання, і істотне зменшення витрат на електрифікацію нових ділянок залізниць. Виконані в дисертації дослідження дозволяють зробити наступні висновки:

1.

-

-

-

2.

3.

4.