CC BY
28
УДК 656.259.12 : 629.423.31
В. I. ЩЕКА (ДПТ), О. В. ЗАВГОРОДШЙ (Придншровська залiзниця, Днiпропетровськ)
РОЗРОБКА СИСТЕМИ ЗАХИСТУ РЕЙКОВИХ К1Л В1Д ЕЛЕКТРОМАГН1ТНОГО ВПЛИВУ КОНТАКТНО1 МЕРЕЖ1 СУМ1ЖНО1 КОЛ11
В статл розглянуто побудову та принцип дп системи захисту рейкових шл в!д електромагнггаих завад. Проведена оцшка економ1чна ефектившсть впровадження системи.
Ключовi слова: система захисту рейкових шл в1д електромагнггаих завад, побудова та принцип ди, вплив контактно! мереж1 сум1жно! коли, економ1чна ефектившсть впровадження
В статье рассмотрены построение и принцип действия системы защиты рельсовых цепей от электромагнитных помех. Проведена оценка экономической эффективности внедрения системы.
Ключевые слова: система защиты рельсовых цепей от электромагнитных помех, построение и принцип действия, влияние контактной сети смежного пути, экономическая эффективность внедрения
The construction and operation principle of track circuit protection system from electromagnetic hindrances have been considered in the article. The cost efficiency of introducing the system has been estimated.
Keywords: track circuit protection system from electromagnetic hindrances, construction and operation principle, effect of contact network of adjacent track, cost efficiency of introduction
Вступ
Розвиток швидюсного руху став причиною значного тдвищення потужносп, що передаешься тяговою мережею зал!знищ. Це в свою чергу зумовило тдвищення вимог до електро-магштно! сушсносп тягово! мереж! з пристро-ями затзнично! автоматики. Рух сучасного па-сажирського швидюсного або важкого вантаж-ного потягу супроводжуеться споживанням з контактно! мереж (КМ) значно! потужносп, що викликае протшання в проводах мереж! великого струму. Цей струм е причиною появи електромагштних завад в ус!х сум!жних системах i в рейкових колах зокрема. [1]
Оскшьки електромагштш завади можуть бути причиною збо!в в робот рейкових кiл, пере-криття свiтлофорiв та зупинки потягiв необхiдне впровадження систем захисту рейкових кш вщ електромагнiтного впливу тягово! мереж!.
Особливу увагу необхщно звернути на дшя-нки залiзницi, де тягова мережа змшного струму знаходиться у безпосереднш 6лизькост! до тягових мереж постшного струму (перегони, як! мають д!льниц! зближення двох р!зних тягових мереж; станци стикування), оскшьки частота сигнального струму рейкових кш при тяз! пост!йного струму зб!гаеться з частотою тягово! мереж зм!нного струму.
Постановка задачi
При рус! потягу в зон! кол!! утворюеться ни-зькочастотне магштне поле, що зростае пропо-рцшно зб!льшенню тягового струму в КМ, воно спрямоване перпендикулярно до ос! кол!!. П!д д!ею цього поля шдукуються заважаючи по-вздовжн! електрорушшш сили (ЕРС) в рейкових лшях, кабелях зв'язку та шших л!н!ях автоматики, прокладених вздовж кол!!. 1ндукова-н! в рейках повздовжш ЕРС викликають прот!-кання в них струм!в завад, як! можуть бути причиною вщмов в робот! рейкових кш.
Якщо розглядати одноколшну д!лянку зал!-зниц!, то наведен! повздовжш ЕРС у рейках будуть приблизно однаковими, бо КМ розта-шована симетрично в!дносно рейково! лши. Таким чином електромагн!тний вплив в!д КМ свое! кол!! буде незначним. Але при розглядан-н! багатоколшних д!лянок (дво-, трьохкол!йн! перегони; д!лянки зближення; тощо) треба вра-ховувати вплив КМ одн!е! кол!! на рейков! л!н!! сус!дн!х колш. В цьому випадку, наприклад, в!дстань в!д впливаючого контактного проводу до рейок сум!жно! кол!! буде р!зною, а отже наведен! повздовжн! ЕРС матимуть р!зн! зна-чення, що призведе до появи р!зницевого струму в рейках, який може спричинити заважаю-чий, або нав!ть небезпечний вплив на роботу рейкових кш [2].
© Щека В. I., Завгоролнш О. В., 2011
Отже метою роботи е розробка системи захисту рейкових кш вщ електромагштного впливу КМ сумiжно! коли.
Системи з ЕУП
В якостi виршення поставлено! проблеми може бути використана тягова мережа в струк-турi яко! окрiм КМ та рейок присутш додатковi провiдники.
Найпоширенiшою на затзницях СНД е система тягово! мережi з екрануючим та шдсилю-ючим проводами (ЕПП). Ця система з'явилась ще у кшщ 70-х рокiв на залiзницях СРСР та мала основною задачею зменшення опору КМ та збшьшення потужностi тягово! дшянки [3].
В такiй системi КМ та несучий трос з'еднаш паралельно з пiдсилюючим проводом, який ро-змiщаеться на iзоляторах з нетягово! сторони опори. Екрануючий провщ пiд'еднуеться паралельно рейкам через середш точки дросель-трансформаторiв, або просто заземлюеться за до-помогою iндивiдуального заземлення. 1снують варiанти шд'еднання екрануючого проводу сек-цiями, завдяки чому вiдсутнiй електричний зв'я-зок мiж дросель-трансформаторами, що розташо-ваш по обидвi сторони iзолюючого стику [4].
Ц системи вiдносяться до класу систем з використанням пасивного (заземленого) екрануючого проводу, наявшсть якого знижуе елек-тромагнiтний вплив тягово! мережi на iзольо-ваш кабельнi лiнi! та лiнi! зв'язку. Так як елект-ромагнiтний вплив на рейки зменшуеться не суттево, то захист рейкових кiл вщсутнш
Бiльш сучасним та перспективним способом виршення поставлено! проблеми е викорис-тання систем з активним екрануючим проводом (АЕП). Таю системи передбачають про-
пуск зворотного тягового струму через АЕП за допомогою додаткових регулюючих пристро!в. В Gвропi широко використовуеться система, в якш весь зворотнiй тяговий струм пропускаеть-ся через АЕП [5], таким чином тяговий струм в рейках вщсутнш. Але в цьому випадку струм в АЕП, як i в контактному, мае приблизно по-стшне значення, отже такий спошб розрахова-ний в першу чергу на захист iзольованих вщ землi лiнiй (кабелiв, лшп зв'язку), що мають постiйний рiвень напруги по всiй сво!й довжи-нi. Рейкова лiнiя мае сполучення з землею через опiр iзоляцi!, тобто рiвень струму в рейковш лiнi! змiнюеться в залежностi вщ мюцезнахо-дження рухомого складу. Таким чином описаний спошб не дозволяе в достатнш мiрi змен-шити електромагнiтний вплив на рейковi кола.
Система захисту рейкових кш
Запропонований спосiб зменшення електромагштного впливу тягово! мереж змiнного струму на рейковi кола сумiжно! коли заснова-ний на використаннi АЕП, який через певш промiжки шд'еднуеться до середньо! точки дро-сель-трансформатора рейково! лiнi! (РЛ) колi! з електротягою змiнного струму (рис. 1). Пщ'еднання АЕП проводиться за допомогою регулюючих елементiв (РЕ), що контролюють вiдгалуження зворотного тягового струму з рейок в екрануючий провщ. Забезпечення максимального захисту рейкових кш досягаеться шляхом визначення зворотного тягового струму в АЕП виходячи з умови мшмуму електро-магнiтних завад в РЛ сумiжно! колi!, електри-фiковано! з тягою постшного струму.
Рис. 1. Структурна схема системи захисту рейкових кш
Для досягнення ще бшьшого ефекту та забезпечення бшьшо! надшносп та безпечностi роботи тягово! мережi та рейкових кiл пiд'еднання АЕП може вщбуватися з викорис-
танням додаткових силових трансформаторiв, одна обмотка якого шд'еднуеться до РЕ, друга включаеться послщовно в АЕП (рис. 2).
Використання трансформаторiв дозволяе
створювати бшьший струм в АЕП, а також за-безпечуе гальванiчний розв'язок мiж РЛ та АЕП. Такий спошб е бiльш ефективним, але й бiльш дорогим: додаткове встановлення сило-вих трансформаторiв суттево збшьшуе термiн окупностi системи захисту внаслщок чого И впровадження може бути економiчно не випд-ним на певних дiлянках.
Розглянемо бiльш детально роботу системи захисту рейкових кш вщ електромагнiтного впливу тягово! мережi сушжно! коли.
Вiдмiнною рисою системи, що пропонуеть-ся, е автоматична компенсащя електромагшт-них завад на дшянках, де це необхiдно. Компенсащя завад вiдбуваеться виходячи з безпосе-реднього рiвня струму завади в рейках. Для
КП
аналiзу струму в рейках необхiдно встановити первинний датчик, за допомогою якого цей струм повинен поступати до керуючих елемен-ив. В якостi такого датчику доцшьно викорис-товувати датчик струму (ДС), що побудований на ефект Холла (рис. 3). Такий датчик е безко-нтактним, а отже не впливае на роботу рейкових кш, крiм цього вш е досить чутливим, на-дшним та недорогим. Так як АЕП через певш промiжки шд'еднуетъся до середнiх виводiв дросель-трансформаторiв, що встановлеш на сигнальних точках, то ДС доцшьно встановлю-вати тсля колiйного трансформатора (КТ), тд-ключеного до вторинно! обмотки дроселя, але перед колшним приймачем (КП).
Рис. 2. Схема тдключення АЕП за допомогою трансформатор1в
икер
<3
ДС
кг г-п КП
Рис. 3. Структурна схема регулюючого пункту
Струм з ДС поступае до керуючого елемен-ту (КЕ) задачами якого е: щентифшащя наявно-стi завади в сигнальному струмi рейкового кола; визначення рiвня струму завади; формуван-ня, виходячи з рiвня завади, шформацшного сигналу керування; пiдсилення шформацшного сигналу керування (^кер) для подачi його на РЕ; органiзацiя гальвашчного розв'язку мiж шфор-мацiйними колами КЕ та силовими колами РЕ.
Сформований сигнал потрапляе на РЕ, який вщгалужуе необхщну i достатню для компен-сацп електромагнiтних завад частину тягового струму з рейок в АЕП. Враховуючи велик зна-чення струму через РЕ доцшьно створювати
його на потужних транзисторах ЮБТ [6].
Для захисту системи вщ короткого замикан-ня в тяговш мереж1, встановлюеться тиристор-ний вимикач (ВТ), що складаеться з двох сило-вих некерованих тиристорiв. Вимикач ВТ у ви-падку короткого замикання перетворюе АЕП на звичайний пасивний ЕП, тобто вiдмикае всю апаратуру системи захисту рейкових кш. В на-слiдок цього знижуеться вартiсть системи, оскь льки в цьому випадку И елементи не потрiбно розраховувати на струм короткого замикання.
В системi присутнiй зворотнш зв'язок, так як чим бшьший струм завади в РЛ тим бшьший струм буде вщгалужуватися в АЕП, а це в свою чергу призведе до зменшення завад в РЛ. В результат тако! побудови системи компенсащя електромагштних завад вщбуваеться автоматично в реальному чаш та по мiрi необхщносп, наявнiсть зворотного зв'язку тдвищуе надш-нiсть та стабшьшсть системи захисту, а також виключае можливють перекомпенсаци.
Економiчна ефективнiсть
Основною задачею залiзничного транспорту е яюсне i повне задоволення потреб народного господарства i населення в перевезеннях. Задачею служби сигналiзацil та зв'язку, в свою чер-
гу, е тдвищення eK0H0Mi4H0Ï ефективностi роботи залiзницi та забезпечення безпеки руху.
Вiдмова пристроïв сигналiзацiï, а саме рейкових кш, супроводжуеться зупинкою потягу та простоем рухомого складу, що призводить до економiчних втрат залiзницi по причинi не-справност пристроïв СЦБ. Додатковi втрати пов'язаш з витратами часу та матерiальних ре-сурсiв на лiквiдацiю вщмов експлуатуючим персоналом.
Впровадження системи захисту рейкових кш вiд електромагнiтного впливу тяговоï мереж змiнного струму дозволить знизити юльюсть вiдмов рейкових кш по причинi електромагшт-них завад та пiдвищити ï^ надiйнiсть, що в юн-цевому результатi дозволить шдвищити безпеку руху та отримати економiчний ефект вiд змен-шення втрат при простоях рухомого складу.
Загальш економiчнi втрати залiзницi вщ простою поïздiв по причинам вщмов рейкових кiл, що пов'язанi з електромагштними завадами складае 0,307 млн грн/рш на одну фiдерну зону.
Передача енерги вiд тяговоï шдстанцп до рухомого складу супроводжуеться падшням напруги вздовж тракту передачi. Внаслщок цього знижуеться дiюче значення напруги на струмоприймачi потягу, тобто вщбуваеться зменшення потужностi, що передаеться тяго-вою мережею, по причинi втрат у проводах.
Уникнути втрат потужносп можна завдяки зменшенню опору тяговоï мережа Використан-ня АЕП призводить не ильки до зменшення електромагштних завад в рейкових колах, але й знижуе опiр тяговоï мереж на 32 % [7] та дозволяе шдвищити максимальне значення тягового струму в КМ.
При рус сучасного потягу, потужнють якого може досягати 8...16 МВт [3], з КМ спожи-ваеться значний тяговий струм. Збшьшення тягового струму викликае в свою чергу збшьшення падшня напруги в проводах КМ, тобто вщ-буваеться збшьшення втрат електроенергп на тягу поïздiв. На рис. 4 наведено графш залеж-носп втрат потужносп в КМ вщ середньоï по-тужностi локомотивiв, що рухаються фiдерною зоною. Суцiльною лшею на графiку показано втрати при звичайнш системi тягового елект-ропостачання, штрихова лiнiя показуе втрати в проводах при використанш запропонованоï си-стеми.
З графшу видно, що збшьшення потужносп локомотивiв призводить до збшьшення втрат в проводах, але використання АЕП дозволяе сут-тево ï^ знизити по вщношенню до звичайноï тяговоï мережа Проведений розрахунок пока-
зуе, що втрати електроенергп на фщернш зош при русi в нш локомотивiв з середньою потуж-шстю 12 МВт можуть досягати 6,76139 х
х106 кВт-год на рш Застосування системи з АЕП знижуе щ втрати до кВт-год на рш, тобто майже в три рази. Таю зниження витрат електроенергп на тягу поïздiв при нишшшх цiнах дозволять зекономити близько 2,043 млн грн/рк.
12 Рл, МВт
Рис. 4. Залежшсть втрат в проводах в1д середньоï' потужносп локомотив1в
Таким чином впровадження системи захисту рейкових юл дозволить отримати економда коштiв у розмiрi 2,35 млн грн/рш на фiдерну зону. У цей час каштальш затрати на облад-нання фiдерноï зони системою складають при-близно 0,803 млн грн. Тодi коефiцiент економ> чноï ефективностi впровадження системи захи-сту складае
P 2 35 E = — = ^i35 = 2,92 K 0,803
при нормi в галузi автоматики та зв'язку 0,15 [8], а термш окупностi
T = — = —1— = 0,34 року.
E 2,92
На рис. 5 наведено графш залежносн терм> ну окупностi системи з АЕП вщ довжини дшь-ницi, що обладнана системою. Графш побудо-ваний виходячи з умов встановлення регулюючих елементiв, яю повиннi роздiлятися декшь-кома блок-дшянками, таким чином мiнiмальна дiльниця, що шдлягае обладнанню, повинна бути 5.6 км завдовжки. З графiку видно, що термш окупност системи с^мко зменшуеться зi збiльшенням дiлянки, що обладнуеться. Для забезпечення нормативного термiну окупностi пристроïв СЦБ (6,6 роюв [8] - пунктирна лiнiя
на графшу) довжина дiлянки, що обладнуеться, повинна складати приблизно 10 км.
5 20 40 60 L, км
Рис. 5. Залежнють термшу окупносп вщ довжини дшянки
Висновки
Розвиток економши та промисловостi Укра-ïни супроводжуеться збiльшенням вантажооб> гу та шдвищенням швидкостей перевезення, що в свою чергу потребуе вщповщного розвитку залiзничного транспорту. Виникае потреба впровадження нових бшьш потужних лшш транспортування, при збереженнi вiдповiдного високого рiвня безпеки руху. Впровадження запропонованоï системи дозволяе забезпечити захист рейкових кш вiд електромагнiтного впливу КМ сумiжноï колiï та знизити рiвень завад в рейках до припустимих значень. Процес компенсацiï електромагнiтних завад повшстю автоматичний, а наявнiсть зворотного зв'язку забезпечуе стабшьшсть, рацiональнiсть та ште-лектуальнiсть процесу компенсацiï. Крiм того використання в системi АЕП знижуе отр тяго-воï мереж1, що дозволяе зменшити втрати електроенергп в мережi та збшьшити рiвень тягового струму в КМ.
Впровадження системи захисту рейкових кш призводить до значноï економп електроене-
prii на тягу roi^iB, внаслiдок чого знижуеться термш окупносп системи. З проведених розра-хунюв можна зробити висновок, що впровадження системи захисту рейкових кш е еконо-мiчно ефективним заходом. Економiчна ефек-тивнiсть впровадження системи зростае при збшьшенш потужностi локомотивiв та при зб> льшеннi дшьнищ, що обладнуеться. Таким чином пояснюеться пеpспективнiсть системи захисту.
Б1БЛЮГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Бадер, М. П. Электромагнитная совместимость [Текст] : учеб. для вузов ж.-д. трансп. / М. П. Бадер. - М: УМК МПС, 2002. - 638 с.
2. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог - 4-е изд., перераб. и доп. [Текст] : учеб. для вузов ж.-д. трансп. / К. Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.
3. Бочев, А. С. Электротяговая сеть с усиливающим и обратным проводами [Текст] / А. С. Бочев, В. В. Мунькин, Е. П. Фигурнов // Железные дороги мира. - 1997. - № 11. - С. 8-12.
4. Бочев, А. С. Эффективность экранирующих проводов многопроводной тяговой сети переменного [Текст] / А. С. Бочев, Т. П. Доброволь-скис, В. А. Мишель // Вестник ВНИИЖТа. -1990. - № 8. - С. 17-20.
5. Tuttas, Ch. Elektrische Bahnen [Text] / Ch. Tut-tas. - 2001. - № 6/7. - S. 262-267.
6. Runge, W. Eisenbahntechnische Rundschau [Text] / W. Runge // 2005, - № 7/8, - S. 443 - 453.
7. Справочник по электроснабжению железных дорог [Текст] : в 2-х т. / Ю. Н. Макас [и др.]; под ред. К. Г. Марквардта. - М.: Транспорт, 1980-1981. - 238 с.
8. Карпов, И. В. Экономика, организация и планирования хозяйства сигнализации и связи [Текст] : учеб. для техн. и колледжей ж.-д. трансп. / И. В. Карпов, С. Г. Климович, Л. И. Хляпов. -М.: Маршрут, 2002. - 436 с.
Надшшла до редколегп 05.10.2010.
Прийнята до друку 14.10.2010.
