Повышение защитных свойств многопроводных электротяговых сетей переменного тока

Электромагнитная совместимость с точки зрения железнодорожной электроэнергетики — это, прежде всего взаимные влияния друг на друга контактных сетей соседних путей многопутных участков, влияния тяговой сети на смежные линии низкого напряжения, линии связи и проводного вещания, на любые протяжённые проводящие объекты, расположенные вблизи электрифицированной железной дороги, а также вопросы взаимовлияния электровозов переменного тока с тиристорным регулированием. Указанные проблемы тесно связаны с проблемой электрокоррозионного разрушения подземных сооружений и опор при электрификации на постоянном токе. Кроме того, создаваемые линиями автоблокировки и продольного электроснабжения поля, наводят в обесточенной контактной сети, в цепях автоматики, телемеханики и связи, напряжения и токи, которые могут быть опасны для людей или производить разрушения аппаратуры и нарушать нормальную работу устройств.

Ток в земле по модулю соизмерим с влияющим током [1−9] тяговой сети, включающей в себя питающие и отсасывающие провода, провода контактной сети, рельсы с распределённой проводимостью на землю и саму землю. В связи с этим, тяговая сеть практически полностью несимметрична и оказывает значительное влияние на смежные с ней коммуникации. Таким образом, актуальность проблемы снижения внешних влияний со стороны тяговой сети на смежные с ней коммуникации — очевидна. До сих пор считалось, что полностью устранить электромагнитные влияния контактной сети электрических железных дорог практически невозможно и стремление уменьшить наведенные напряжения до нуля потребовало бы огромных расходов. Поэтому в настоящее время, из соображений целесообразности, допускаются влияния в пределах установленных норм, которые существенно не нарушают нормальную работу смежных линий и не являются опасными для изоляции и обслуживающего персонала. Это мнение кроме обычной логики, базируется на современных, известных практических достижениях в области снижения электромагнитных влияний со стороны тяговой сети.

В общей проблеме снижения электромагнитных влияний со стороны тяговой сети (ТС), вызванной появлением в смежных коммуникациях напряжений, опасных для жизни людей и оборудования, снижение мешающих влияний выделяется в самостоятельную задачу. Исследованиям в области электромагнитной совместимости тяговой сети и смежных с ней коммуникаций связи, а также решению задачи создания электротяговых сетей переменного и постоянного тока, перспективных с точки зрения минимизации наведенной ТС электромагнитной помехи в смежных коммуникациях связи, посвящены работы Бадёра М. П., Бородулина Б. М., Бочева А. С., Добровольскиса Т. П., Косарева Б. И., Косарева А. Б., Котельникова А. В., Марквардта К. Г., Минина Г. А., Павлова И. В., Просецкого А. П., Фигурнова Е. П., а также других учёных и специалистов. При выполнении диссертационной работы использованы также работы специалистов в области ТАР: Солодовникова В. В., Бесекерского В. А., Попова Е. П., Гудвина Г. К., Гребе С. Ф., Сальгадо М.Е.

Наиболее эффективными в отношении снижения мешающих влияний, являются активные методы защиты линий связи, применяемые в источнике влияний, т. е. в устройствах электрических железных дорог. Эти мероприятия уменьшают влияние на все смежные объекты. Среди группы активных способов защиты, необходимо выделить наиболее эффективные в отношении снижения мешающих влияний, в которых используется дополнительный провод в качестве канала компенсирующего тока, в различных вариантах его исполнения. В основе таких способов лежит принцип компенсации влияющего электромагнитного поля тока контактной сети дополнительным электромагнитным полем, созданным компенсирующим током в дополнительном проводе и находящемся в противофазе к влияющему полю. При обобщённом анализе известных способов и устройств компенсации наведенной электромагнитной помехи посредством дополнительного электромагнитного поля, инверсного к полю влияющего тока контактной сети [10−25], можно сделать вывод, что в основе их практической реализации лежит многопроводная сеть, т. е. контактная сеть и дополнительный провод, в качестве которого может быть использован экранирующий или обратный провод [26].

Как известно [27], широкое развитие трёхпроводных систем питания -2×25 кВ и системы питания с экранирующим (ЭП) и экранирующим и усиливающим проводом (ЭУП), обусловлено тем, что в них, в значительной степени снижены основные существенные недостатки, присущие системам энергоснабжения переменного однофазного тока, определяемые структурой тяговой сети — значительное индуктивное сопротивление тяговой сети и, как следствие значительные индуктивные потери напряжения и энергии, трудности в осуществлении релейной защиты, интенсивное вредное влияние на смежные коммуникации связи и т. д. Также известно, что наиболее эффективными являются ТС с ЭП и ЭУП. Взаимоиндуктивная связь ЭП и усиливающего проводов и контактной подвески (КП), приводит к возникновению в ЭП индуктированного тока, противоположного по фазе (относительно первой гармоники) току ТС, и, составляющего от него 35−50%. В результате напряжённость внешнего электромагнитного поля и индуктивное сопротивление ТС снижается в 1.6−2 раза по сравнению с обычной ТС. Конструктивно, в трёхпроводных системах питания рельсовая цепь разгружается от обратного тягового тока соединением её с дополнительным проводом, который максимально приближается к контактной подвеске. По сути дела осуществляется максимально возможное сближение двух источников противофазных электромагнитных полей, с целью взаимного гашения последних. Таким образом, по заземлённому обратному проводу, протекает доля влияющего тока ТС. Защита от помех смежных с тяговой сетью коммуникаций связи осуществляется одновременно, по всей зоне расположения обратного провода. Очевидно, что такой способ защиты является наиболее эффективным. Однако, в связи с использованием данного способа необходимо отметить, что для того чтобы эффект компенсации электромагнитных помех был максимальным, необходимо выполнить следующие условия:

• компенсирующий ток по величине должен быть максимально приближен к току питающей КП — влияющему току;

• компенсирующий ток должен содержать тот же спектр высших гармонических составляющих, оказывающих наибольшее псофометрическое воздействие, что и влияющий ток;

• каждая гармоника в спектре компенсирующего тока должна быть инверсна по отношению к эквивалентной гармонике влияющего тока, т. е. сдвинута по отношению к ней на угол, максимально приближенный к 180 эл.градусам.

Исходя из перечисленных требований к идеальной трёхпроводной сети, естественно возникает вопрос — насколько реальная трёхпроводная сеть приближается к идеальной, и каким образом, возможно, улучшить технические характеристики реальной трёхпроводной сети, чтобы максимально приблизить её к идеальной? С точки зрения задачи компенсации электромагнитных помех в смежных с ТС коммуникациях связи, вопрос ставится следующим образом: как должна выглядеть реальная многопроводная ТС, чтобы компенсирующий ток в обратном проводе был максимально приравнен к влияющему. Для дальнейшего рассмотрения вопроса, примем следующие условия:

• смежные с ТС коммуникации связи совместно с ТС — рассмотрим как систему — в той степени, что на эти коммуникации воздействуют два противофазных электромагнитных поля — влияющего и компенсирующего токов ТС и ЭП;

• смежные с ТС коммуникации связи примем в качестве объекта влияния (ОВ);

• ЭП будем рассматривать в качестве канала компенсирующего воздействия, а ток в ЭП — в качестве компенсирующего;

• несинусоидальный ток контактной сети примем в качестве возмущающего (влияющего) воздействия.

Все связи в такой системе носят индуктивно — ёмкостный характер. Однако в данной работе, ввиду малости величины распределённых ёмкостей для исследуемого спектра тягового тока, в расчётах они не учитываются. Переход из одного устойчивого состояния в другое осуществляется не мгновенно, а по истечении некоторого промежутка времени (времени переходного процесса). Описываемая система является динамической, а признаки, описывающие её состояние в любой момент времени, определяются как динамические характеристики системы.

Таким образом, ТС с ЭП, совместно с коммуникациями связи, подверженными электромагнитному воздействию с её стороны — являются динамической системой. Следовательно, задача улучшения её технических характеристик, направленных на уменьшение возмущающего воздействия, сводится:

• к определению амплитудно — частотных и фазово — частотных характеристик (ачх и фчх) исходной системы;

• к изменению динамических характеристик исходной системы таким образом, чтобы компенсирующий ток в такой системе был максимально приближен к влияющему, и, следовательно, электромагнитные помехи в объекте влияния были бы минимальны.

Следуя логике представленных выше рассуждений, установим последовательную цепочку: научная проблема — объект исследованийпредмет исследований — цель исследований.

В связи с увеличением единичных нагрузок ТС и перспективой увеличения в парке подвижного состава доли электровозов переменного тока с тиристорными преобразователями, становится актуальной проблема электромагнитной совместимости ТС, как источника электромагнитных помех, и смежных с ней коммуникаций связи. Решением обозначенной проблемы, является решение задачи снижения электромагнитных помех, обусловленных электромагнитным взаимодействием источника влияний и ОВ. В связи с последними рассуждениями ясно вырисовывается объект исследований: электромагнитное взаимодействие перспективных с точки зрения минимизации индуктивных потерь напряжения и энергии, и как результат относительной минимизации напряжённости внешнего электромагнитного поля и индуктивного сопротивления тяговой сети, -многопроводных электротяговых сетей переменного тока и смежных коммуникаций связи. Следующий шаг: — в границах установленного объекта исследований, обозначим предмет исследования: АЧХ и ФЧХ исходных, принятых в качестве базовых, электротяговых сетей с ЭП и ЭУП, использующих в качестве канала компенсирующего воздействиядополнительный провод. И, наконец, на основе сформулированной проблемы, определения объекта и предмета исследования установим его цель: на основе определения АЧХ и ФЧХ исследуемых исходных систем с ЭП и ЭУП, — решение задачи максимального сближения по величине компенсирующего и влияющего токов исследуемых систем, и как следствие минимизации электромагнитных помех в объекте влияния, посредством изменения динамических характеристик обозначенных исходных систем.

Таким образом, целями диссертационной работы являются:

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ и РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Предложен новый подход к исследованию электромагнитной совместимости многопроводных электротяговых сетей переменного тока со смежными коммуникациями связи методом передаточных функций.

2. Решена задача классификации систем электроснабжения переменного тока по признаку наличия канала компенсирующего тока.

3. Тяговая сеть и смежные с ней коммуникации связи рассмотрены совместно, как система. В связи с этим, предполагается, что:

• на смежные коммуникации воздействуют два противофазных электромагнитных поля — влияющего и компенсирующего токов тяговой сети и ЭП;

• смежные с тяговой сетью коммуникации связи принимаются в качестве объекта влияния;

• ЭП рассматривается в качестве канала компенсирующего воздействия, а ток в ЭП — в качестве компенсирующего;

• несинусоидальный ток контактной сети принимается в качестве возмущающего воздействия.

4. Предложена математическая модель многопроводной тяговой сети с ЭП и ЭУП с сосредоточенным заземлением, и тяговой сети с ЭУП и распределённым заземлением ЭП.

5. Система «тяговая сеть с ЭП (ЭУП)», представлена совокупностью типовых звеньев, на которые наложены связи, по условию определения их амплитудно — частотных и фазово — частотных характеристик.

6. Типовые звенья, характеризующие отдельные элементы и процессы, происходящие в тяговой сети, представлены в виде эквивалентных схем замещения.

7. Результатом анализа эквивалентных схем замещения рассматриваемых типовых звеньев, входящих в систему «тяговая сеть с ЭП.

ЭУП) — смежная линия связи", является построение их математических моделей.

8. Благодаря предложенному универсальному подходу к рассмотрению исследуемых систем энергоснабжения, с точки зрения оценки влияния их собственных параметров на процессы, происходящие в них, решена задача синтеза оптимальных эффективных систем по заданному критерию качества.

9. На примере анализа многопроводной тяговой сети, путём определения её амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик (с экранирующим проводом (ЭП) и с экранирующим и усиливающим проводами (ЭУП)) показана возможность количественной оценки её эффективности в отношении электромагнитной совместимости с объектом влияния.

10. Полученные сравнительные характеристики компенсирующего воздействия относительно влияющего, позволяют оценить эффективность каждой из рассматриваемых многопроводных электротяговых сетей с ЭП и ЭУП, а также их сравнительную эффективность в отношении снижения ими уровня электромагнитной помехи в смежной коммуникации связи.

11. Предложен метод расчёта гальванической составляющей вихревых токов индуктивно — гальванически связанных контуров, образующих тяговую сеть.

12. Предложен метод расчёта токораспределения в многопроводной тяговой сети.

13. Определены роль и степень «участия» каждого из элементов проанализированных систем энергоснабжения в образовании сигнала компенсирующего воздействия, при условии, когда все элементы системы пассивны, — в ослаблении (экранировании) электромагнитного поля влияющего тягового тока, основываясь на их частотных свойствах.

14. Определено влияние способа заземления ЭП на свойства исследуемой системы.