Моделирование электромагнитного влияния контактной сети железной дороги на отключенные воздушные линии электропередачи с помощью программы ATP-EMTP

Тяговая сеть переменного тока 1×25 кВ является источником мощного электромагнитного поля, которое оказывает существенное влияние на смежные линии различного назначения, в том числе и на расположенные вблизи воздушные линии электропередачи (ВЛЭП).

Влияние электромагнитного поля удобно рассматривать как два отдельных влияния: магнитное и электрическое. Магнитная составляющая в настоящем случае обусловлена наведением электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутых контурах при пересечении их переменным магнитным полем, которое создает ток, протекающий в проводах тяговой сети. Значения наведенных ЭДС и токов прямо пропорциональны значениям тяговых токов и длине участка сближения между железной дорогой и смежной ЛЭП [1].

Электрическая составляющая определяется соотношением собственных и взаимных частичных емкостей между всеми проводниками системы. В связи с тем, что взаимная емкость быстро уменьшается с увеличением ширины сближения при относительно невысоком питающем напряжении на железной дороге переменного тока (27.5 кВ), эта составляющая имеет второстепенное значение [2].

Нагрузка тяговых подстанций постоянно изменяется в зависимости от того, сколько электроподвижных составов (ЭПС) находится в данный момент на межподстанционной зоне, их местоположения относительно подстанций, потребляемых ими токов, наличия в тяговой сети уравнительных токов и прочих условий. Таким образом, на практике измерение наведенных напряжений на отключенных ВЛЭП при максимальном рабочем токе в контактной сети, как того требуют "Правила по охране труда при эксплуатации электроустановок" (ПОТЭУ) ¹ , практически невыполнимо. Поэтому для обеспечения безопасности работы персонала на отключенных ВЛЭП, имеющих участки сближения с электрифицированной железной дорогой, следует учитывать результаты расчетных исследований, выполненных с исходными данными, которые максимально приближены к реальным условиям рассматриваемой задачи.

Целью данной работы являлась оценка значений наведенного напряжения на отключенной ВЛЭП с помощью расчетных моделей, выполненных в программе ATP-EMTP, а также сравнение полученных результатов с экспериментальными значениями наведенного напряжения на исследуемой линии.

В связи с этим решались следующие задачи: выполнение экспериментального определения токов в тяговой сети однопутного участка железной дороги переменного тока и наведенных напряжений на смежной отключенной ВЛЭП; создание расчетной модели сближения исследуемых объектов и оценки значений наведенного напряжения на отключенной линии в программе ATP-EMTP.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования была выбрана ВЛЭП класса напряжения 110 кВ, на всем протяжении имеющая сближение с однопутным участком железной дороги переменного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ.

Электропитание влияющего участка железной дороги двустороннее и производится от тяговых подстанций т. ПС № 1 и т. ПС № 2 (рис. 1). Длина участка составляет 73 км. Длина линии – 19.7 км. Преобладающим типом опор, на которых установлена линия, являются опоры типа ПБ110-13 от ПС № 1 на протяжении 10.5 км линии и опора типа – П (деревянные) на другом участке линии, заканчивающемся на ПС № 2.

Рис. 1. Схема сближения ВЛЭП с влияющим участком железной дороги

Fig. 1. Convergence scheme of overhead transmission line with influencing area of railway

Ширина сближения между исследуемыми объектами при косом сближении ВЛЭП и тяговой сети железной дороги определялась по методике приведения к эквивалентному параллельному сближению, описанной в [3]. Расстояние эквивалентного параллельного сближения вычислялось по формуле:

^b 12

®

b + 2b max min

где b_max , b_min – максимальное и минимальное расстояния между проводами тяговой сети (контактный провод, питающий провод и рельсы) и ВЛЭП соответственно. Таким образом, ширина сближения на первом участке (от начала линии ПС № 1 до места, соответствующего расположению устройства регистрации № 2) получилась равной 0.98 км и на втором участке (продолжение линии) – 1.8 км.

Измерения наведенных напряжений на ВЛЭП проводились одновременно с измерениями тока в рельсовой цепи. Для непрерывной регистрации изменяющихся токов в рельсах при прохождении составов по дистанции применялась система мониторинга, включающая в себя магнитоиндукционный датчик тока с усилителем, аналого-цифровой преобразователь и портативный компьютер [4]. Регистрация токов выполнялась синхронно в двух различных точках исследуемого участка железной дороги (рис. 1). Измерение наведенного напряжения проводилось устройством регистрации № 3 на изолированном конце отключенной линии на подстанции № 2, со стороны подстанции № 1 линия была заземлена.

Из полученных экспериментальных данных были выбраны и обработаны осциллограммы токов, потребляемых ЭПС, и наведенных напряжений для двух случаев, когда на влияющем участке железной дороги находились один и два состава. В первом случае состав проходил устройство регистрации № 2. Во втором случае первый состав проходил устройство регистрации № 1 и одновременно с ним второй состав – устройство регистрации № 2. Результаты измерений представлены в таблице.

Таблица. Действующие значения тяговых токов и наведенных напряжений на ВЛЭП Table. The effective values of traction return current and inducted voltage on overhead transmission line

№ опыта	Один ЭПС на участке железной дороги			Два ЭПС на участке железной дороги
	Тип ЭПС	Ток ЭПС I эл , А	Наведение напряжение на ПС № 2 U нав , В	Тип ЭПС	Ток ЭПС № 1 I эл1 , А	Тип ЭПС	Ток ЭПС № 2 I эл2 , А	Наведение напряжение на ПС № 2 U нав , В
1	Пасс. (на юг)	118.9	60.8	Товарный (на юг)	51.5	Товарный (на юг)	90.0	44.6
2	Пасс. (на юг)	90.9	49.9	Товарный (на север)	99.5	Товарный (на юг)	98.3	57.4
3	Пасс. (на сев.)	132.5	68.3	Товарный (на север)	58.3	Пасс. (на север)	109.9	55.7
4	Товарный (на юг)	135.7	65.8	Товарный (на юг)	45.7	Электровоз (на юг)	46.5	25.0
5	Товарный (на юг)	148.5	74.6	Товарный (на юг)	35.2	Товарный (на север)	80.5	42.3
6	Товарный (на юг)	190.0	96.9	Товарный (на юг)	57.0	Товарный (на юг)	80.7	41.6
7	Товарный (на юг)	53.9	29.1	Пасс. (на юг)	80.0	Пасс. (на север)	107.6	58.3
8	Товарный (на сев.)	46.0	23.2	Товарный (на юг)	121.7	Товарный (на север)	73.9	45.1
9	Товарный (на юг)	91.5	48.5	Товарный (на север)	69.7	Товарный (на север	30.0	16.5
10	Товарный (на юг)	69.0	34.7	Товарный (на север)	135.8	Пасс. (на север)	134.2	76.7
11	Товарный (на юг)	81.8	40.3	Товарный (на север)	143.3	Товарный (на юг)	153.5	86.8
12	Товарный (на юг)	72.4	39.1	Товарный (на север)	136.4	Пасс. (на север)	125.3	67.5
13	Товарный (на юг)	45.4	23.6	Товарный (на север)	153.8	Товарный (на юг)	103.6	61.7
14	Товарный (на юг)	43.8	23.1	Товарный (на юг)	78.9	Товарный (на юг)	122.6	66.4
15	Пасс. (на юг)	65.3	34.8	Пасс. (на юг)	46.8	Товарный (на юг)	140.3	71.5
16	Пасс. (на юг)	134.7	69.6	Товарный (на юг)	77.5	Товарный (на север)	104.6	53.2
17	Пасс. (на север)	132.6	66.5	Товарный (на юг)	115.7	Товарный (на юг)	95.5	56.9
18	Пасс. (на север)	34.8	18.0	Товарный (на север)	113.3	Товарный (на юг)	129.9	73.2
19	Пасс. (на север)	126.2	61.7	Товарный (на север)	107.3	Товарный (на север)	137.8	78.4
20	Товарный (на север)	145.1	77.2	Товарный (на север)	66.4	Пасс. (на север)	65.5	35.9

Известно, что обратный тяговый ток возвращается на подстанции по рельсам и частично через землю, поэтому в качестве токов, потребляемых ЭПС, принимались значения измеренных токов в моменты времени, непосредственно предшествующие прохождению состава над измерительным датчиком и следующие сразу после его прохождения [2]. Поскольку датчики в эти моменты фиксировали значения полных тяговых токов, поступающих к ЭПС с разных сторон от тяговых подстанций.

Моделирование электромагнитного влияния контактной сети железной дороги на отключенную ВЛЭП в программе ATP-EMTP

Для расчета значений наведенного напряжения на отключенной линии использовался модуль LCC программного комплекса ATP-EMTP [5], который позволяет моделировать линии электропередачи и тяговые сети железных дорог на основе их физических параметров с учетом изменения геометрии взаимного расположения и производить расчеты при различных режимах заземления ремонтируемой линии, задавая максимальные значения токов во влияющей сети.

Модели электромагнитного влияния контактной сети на смежные линии были построены для двух рассматриваемых случаев: когда на влияющем участке железной дороги движется один и два ЭПС. В первом случае модель состояла из четырех участков, два из которых являлись сближением линии с контактной сетью, их длины составили 14.8 км и 4.9 км в соответствии со схемой сближения исследуемых объектов, месторасположение электровоза совпадало с концом второго участка (рис. 2). Аналогичная модель влияния была построена для второго случая, она состояла уже из трех участков сближения длинами 6.0, 8.8 и 4.9 км (рис. 3). В последнем случае местоположение первого электровоза совпадало с концом второго участка модели, а второго электровоза – с концом третьего участка.

При подготовке исходных данных модели учитывались следующие параметры:

• –    ширина сближения между влияющими проводами контактной сети, рельсами и ремонтируемой линией (РЛ);

• –    взаимное расположение фазных проводов на опорах РЛ (транспозиции, однократные перестановки двух фаз);

• –    конструктивный тип опор РЛ и контактной сети.

Рис. 2. Модель электромагнитного влияния контактной сети на ВЛЭП (один ЭПС) Fig. 2. The model of electromagnetic influence of the overhead contact system on the overhead transmission line (one train)

Сопротивление заземляющих устройств подстанций принималось равным 0.5 Ом, удельное сопротивление грунта – 10 000 Ом·м.

Рис. 3. Модель электромагнитного влияния контактной сети на ВЛЭП (два ЭПС) Fig. 3. The model of electromagnetic influence of the overhead contact system on the overhead transmission line (two trains)

При двухстороннем питании участка железной дороги ЭПС получает энергию от двух тяговых подстанций и ток, потребляемый электровозом, складывается из двух составляющих, величины которых обратно пропорциональны расстоянию от электровоза до соответствующей тяговой подстанции (чем ближе к тяговой подстанции находится электровоз, тем большая часть тока поступает к нему от этой подстанции) [1]. В созданной модели распределение тягового тока в месте расположения электровоза задается с помощью R-элементов и часть обратного тока, стекающего в землю, определяется переходным сопротивлением рельсов – земля и составляет порядка 50 % от полного тока, потребляемого ЭПС.

Результаты и анализ расчетов

Расчеты наведенного напряжения на конце отключенной линии (со стороны ПС № 2) проводились по экспериментальным значениям токов, потребляемых ЭПС (табл.). Линия была заземлена только в РУ ПС № 1. Результаты расчетов по созданным моделям представлены в виде гистограмм на рис. 4 и 5.

Расчетный эксперимент показал, что значения наведенных напряжений, полученные с помощью программы ATP-EMTP, имеют в среднем погрешности относительно измеренных величин наведенного напряжения на отключенной линии для первой модели с одним ЭПС на влияющем участке железной дороги примерно 4 %, для второй модели с двумя ЭПС на влияющем участке железной дороги – 7 %.

Несмотря на то что для исследований наведенных напряжений был выбран наиболее простой вариант сближения линии с однопутным участком железной дороги, в некоторых опытах были выявлены относительные погрешности в пределах 10–15 %, но их также можно считать допустимыми, поскольку невозможно в расчетных моделях учесть многофакторность влияния контактной сети железной дороги переменного тока на проходящие вблизи смежные линии. Например, процесс распределения тягового тока между рельсами и землей, который является достаточно сложным, поскольку величина тока в рельсах падает по мере приближения к середине участка, а значит и величина сопротивления рельсов по его длине изменяется [6].

Один ЭПС на участке железной дороги

□ Uэксп ■ Uрасч

Рис. 4. Гистограмма наведенных напряжений на отключенной ВЛЭП (расчет по первой модели)

Fig. 4. The histogram of inducted voltage on disconnected transmission line (the calculation for the first model)

Два ЭПС на участке железной дороги

□ Uэксп ■ Uрасч

Рис. 5. Гистограмма наведенных напряжений на отключенной ВЛЭП (расчет по второй модели)

Fig. 5. The histogram of inducted voltage on disconnected transmission line (the calculation for the second model)

Заключение

• 1.    Построены расчетные модели электромагнитного влияния контактной сети железной дороги переменного тока на смежную ВЛЭП с помощью программы ATP-EMTP.

• 2.    Проведены расчеты наведенного напряжения на отключенной воздушной линии класса напряжения 110 кВ для различных вариантов расположения электроподвижных составов на влияющем однопутном участке железной дороги с использованием экспериментальных значений тока в тяговой сети.

• 3.    Сравнение расчетных и экспериментальных значений наведенного напряжения на ВЛЭП в большинстве рассмотренных случаев показало незначительные проценты относительной погрешности расчетных значений (4–7 %). Поэтому способ оценки уровня наведенного напряжения, выполненного с помощью программы ATP-EMTP, можно рекомендовать при проведении ремонтных работ на линиях, имеющих участки сближения с электрифицированными железными дорогами, с возможностью задавать максимальные рабочие токи во влияющей контактной сети.