Improvement of the method of determining dangerous voltage in adjacent lines of communication under magnetic influence of a tracing AC system

Cover Page

Abstract


Background: Currently, there are obstacles on the railways of the Russian Federation for the widespread introduction of a new method of grounding the contact network supports, namely, there is no theoretical and experimental assessment of the electromagnetic effect of the AC traction network on adjacent communication lines when using the contact network supports as natural grounding conductors.

Aim: Improving the methodology for determining hazardous voltage in adjacent communication lines under the magnetic influence of the AC traction network.

Methods: The article discusses the magnetic effect with two fundamentally different grounding systems for AC contact poles - a traditional grounding system on a traction rail network and a system without grounding a contact network poles on a rail network (using fittings and foundations of contact network poles as natural grounding conductors).

Results: The paper shows the disadvantage of the existing methodology for calculating the dangerous voltage in cable lines under magnetic influence, which has a number of serious assumptions that do not allow an objective picture of the magnetic effect on adjacent lines in the presence of a group ground wire. Based on the existing methodology, an improved mathematical model has been developed that allows one to determine the specified values of the dangerous voltage in adjacent communication lines by taking into account the actual length of the group ground cable during operation of the traction network without grounding the supports on the traction rail network. The obtained values of hazardous influences are compared with standard values in the short circuit mode and forced mode. An assessment of the magnetic effect on adjacent communication lines with a traditional grounding system and a system without grounding the supports of the contact network to the traction rail network is given.

Conclusions: The magnetic effect of the traction power supply system of alternating current using poles as natural grounding conductors is less than when using the grounding system of poles of a contact network on a rail network.


Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Многие авторы в своих работах [1, 2], рассматривая магнитное влияние контактной сети на смежные линии, отмечали создание заземленными тросами экранирующего действия. Однако все авторы приводили расчеты с учетом следующих допущений: длина сближения влияющей и подверженной влиянию линии одинаковы для контактной сети и троса группового заземления (далее – ТГЗ); ТГЗ имеет традиционную систему заземления на тяговую рельсовую сеть. При таких допущениях коэффициент экранирующего действия ТГЗ во многом зависит только от диаметра и марки провода. Данные пренебрежения не полностью отражают объективную картину магнитного влияния на смежные линии при наличии ТГЗ.

В случае заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть длина ТГЗ согласно инструкции по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных дорогах [3] регламентируется в зависимости от схемы заземления и не может превышать по T-образной – 400 м, по Г-образной – до 200 м. Соответственно рассматривая любую межподстанционную зону между группами опор существует промежуток на котором отсутствует ТГЗ, длина данного промежутка не может быть меньше длины пролета между соседними опорами. На данном участке будет отсутствовать экранирующее действие ТГЗ. В случае отсутствия заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть такие промежутки также будут присутствовать, однако заземление ТГЗ будет происходить через арматурную сетку каждой из опор объединенных тросом.

ОБЪЕКТ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

С учетом вышеизложенного представим методику расчета опасного напряжения в кабельной линии при магнитном влиянии, учитывающую экранирующее действие ТГЗ в зависимости от длины. Для этого составим схему замещения экранирующего действия ТГЗ для системы без заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть (Рис. 1).

Для системы опор заземленных на тяговую рельсовую сеть схема замещения представлена на Рис. 2.

 

Рис. 1. Схема замещения экранирующего действия ТГЗ для системы без заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть:

I1 – ток в контактной сети, кА;

l – расстояние межподстанционной зоны, км;

Z1 – полное сопротивление контактной сети, Ом;

n – количество групп опор; Zоп i_n – полное сопротивление i-ой опоры в группе n, Ом;

Zтгз (i-1)_n – полное сопротивление ТГЗ на участке между соседними опорами, Ом;

Eкэ_n – эдс на ТГЗ индуктируемая током контактной сети, В;

l 1_n – расстояние между группами близлежащих опор, км.

 

Рис. 2. Схема замещения экранирующего действия ТГЗ для системы с заземлением опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть

 

Составим уточненную математическую модель для определения коэффициента экранирования ТГЗ.

Коэффициент экранирования равен отношению результирующей ЭДС в смежной линии к ЭДС, наведенной током контактной сети

                    Sт=E˙сE˙ск=E˙ст+E˙скE˙ск,                                                1

где E˙ст=jωMтсI˙тl=zтсI˙тlт  – ЭДС в смежной линии индуктируемая при прохождении тока в ТГЗ, В;

E˙ск=-jωMксI˙кl=zксI˙кlк  – ЭДС в смежной линии индуктируемая при прохождении тока в контактной сети, В.

Уравнение равновесие будет выглядеть следующим образом:

zктI˙кlт=zтI˙тlтE˙с=zксI˙кlкzтсI˙тlт, (2)

где  lт, lк  – длина ТГЗ и контактной сети соответственно, м.

Определив из первого уравнения I˙T и подставив его значение во второе, получим:

           E˙ с=zксzтlк + zтсzктlтzтI˙˙к                                        3

В то же время ЭДС смежной линии, наведенная током контактной сети

E˙ск=zксlк I˙к.                                                         4

Подставим значения ЭДС из формул (3) и (4) в формулу (1) с учетом равенства полных сопротивлений взаимоиндукции между ТГЗ и контактной сетью

                  Sт=1zктzтβ.                                                        5

где  β=lтlк   – коэффициент учитывающий пропорциональное отношение длины ТГЗ к длине контактной сети, м;

zкт ­ взаимное сопротивление между контактной сетью и ТГЗ, Ом;

zт=Rт+jωLт полное сопротивление ТГЗ, Ом.

Уравнение 5 справедливо для коэффициента экранирующего действия ТГЗ вне зависимости от системы заземлений опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть. Отличие усовершенствованной математической модели от модели [1] заключается в том, что вводится коэффициент β, учитывающий пропорциональное отношение длины ТГЗ к длине контактной сети на рассматриваемом участке. В случае если длина ТГЗ равна длине контактной сети ­ β=1.

Определить длину ТГЗ на рассматриваемом участке необходимо по формуле

                   lт=n=1nln.                                                      6

где  ln ­ длина n-ой группы опор, м.

Расчет сопротивления ТГЗ при различных системах заземления будет различаться. В случае использования системы с заземлением опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть (рисунок 2), сопротивление будет состоять из полного активного и индуктивного сопротивления ТГЗ. Основные факторы влияющие на сопротивление: ­ длина и материал ТГЗ. В случае использования системы без заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть, основное отличие при нахождении сопротивления ТГЗ будет заключаться в том, что необходимо учитывать и сопротивление опор входящих в группу.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Научным коллективом совместно с сотрудниками Дорожной электротехнической лаборатории (ДЭЛ) и Карасукской дистанцией электроснабжения (ЭЧ-14) в октябре 2015 г. выполнена экспериментальная оценка условий электробезопасности, электромагнитного влияния и дана оценка возможности использования арматуры для прохождения кратковременных токов промышленной частоты при замыканиях на группу опор 761–779, расположенную в районе 403-го км нечетного пути двухпутного участка тяговой подстанции (ТПС) Чебачий – посту секционирования (ПС) Зубково [4,5].

Рассмотрим зависимость опасного напряжения от проводимости земли в режиме КЗ на примере двухпутного участка Карасук-Зубково  (Рис. 3).

 

Рис. 3. Схема питания контактной сети участка Карасук – Зубково

 

Для дальнейших расчетов примем условия:

Результаты расчетов сведены в Табл. 1.

 

Таблица 1. Результаты расчета опасного напряжения от проводимости земли в режиме КЗ

Удельное сопротивление земли

ρз, Ом∙м

Проводимость земли

γЗ103, См/м

 

Коэффициент экранирования рельсов Sр

 

Коэффициент экранирования ТГЗ Sт

 

Коэффициент экранирующего действия S

Опасное напряжение Um, В

При Iкз , кА

2,8

1

2

3

4

5

6

Традиционная система заземления

50

20

0,46

0,62

0,036

218

100

10

0,45

0,59

0,033

222

150

7

0,43

0,57

0,031

217

200

5

0,42

0,56

0,030

215

500

2

0,41

0,53

0,027

213

Система при отсутствии заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть

50

20

0,46

0,55

0,032

194

100

10

0,45

0,52

0,029

195

150

7

0,43

0,50

0,027

189

200

5

0,42

0,49

0,026

186

500

2

0,41

0,45

0,023

181

 

На Рис. 4 приведены графики зависимости наведенного напряжения от проводимости земли для традиционной системы заземления и системы при отсутствии заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть.

 

Рис. 4. Зависимость опасного напряжения от проводимости земли в режиме КЗ:

1 – традиционная система заземления;

2 – система при отсутствии заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть.

 

Для полной оценки опасных напряжений при магнитном влиянии, необходимо выполнить расчет вынужденного режима, который связан с определенными трудностями. Они обусловлены тем, что на отдельных участках тяговой сети протекают различные токи, меняющиеся по величине и во времени. При этом ток, потребляемый электровозом, зависит от массы поезда, профиля пути, поэтому вычисление опасных напряжений в вынужденном режиме работы тяговой сети сложно и громоздко.

В целях упрощения поставленной задачи действительный ток, протекающий по отдельным участкам тяговой сети, заменяется эквивалентным влияющим током. Под эквивалентным влияющим током понимается одинаковый по всей длине сближения ток, который вызывает такое же опасное напряжение, что и действительный тяговый ток.

Для вынужденного режима в тяговой сети опасные напряжения рекомендуется определять в соответствии с [6] по нижеприведенным формулам.

Для участка кабеля менее 40 км при параллельном сближении, В:

 

Uм=kφωM12IэквlЭs (7)

где  kφ - коэффициент формы кривой влияющего тока тяговой сети, характеризующий увеличение индуктированного напряжения вследствие его несинусоидальности (при расчете влияний на кабельные жилы kφ=1);

Iэкв - эквивалентный влияющий ток при вынужденном режиме работы тяговой сети, А.

Для дальнейших расчетов примем условия:

Iэкв=300А; аск=15м; lэ=8,85км; γз=0,02;0,01;0,007;0,005;0,002См/м; sР=0,4÷0,55 S0=0,125; β=0,87; Rоп=20Ом; f=50Гц.

Результаты расчетов зависимости опасного напряжения от проводимости земли в вынужденном режиме для традиционной системы заземления и системы при отсутствии заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть сведены в Табл. 2.

 

Таблица 2. Результаты расчета зависимости опасного напряжения от проводимости земли в вынужденном режиме

Удельное сопротивле-ние земли

ρз, Ом∙м

Проводи-мость земли γЗ103

, См/м

Коэффициент экранирова-ния рельсов Sр

 

Коэффициент экранирова

ния ТГЗ Sт

 

Коэффициент экранирующе-го действия S

Опасное напряжение   Um, В

Традиционная система заземления

50

20

0,46

0,62

0,036

23,41

100

10

0,45

0,59

0,033

23,59

150

7

0,43

0,57

0,031

23,16

200

5

0,42

0,56

0,030

22,95

500

2

0,41

0,53

0,027

22,96

Система при отсутствии заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть

50

20

0,46

0,55

0,032

21,07

100

10

0,45

0,52

0,029

20,94

150

7

0,43

0,50

0,027

20,36

200

5

0,42

0,49

0,026

20,04

500

2

0,41

0,45

0,023

19,39

 

Результаты расчетов зависимости опасного напряжения от проводимости земли в вынужденном режиме не выходят за пределы допустимых (Табл. 3).

 

Таблица 3. Допустимые значения опасных напряжений по отношению к земле в проводах линий связи и проводного вещания

 

Вид линии связи

 

Допустимые значения напряжения, В

Вынужденный

режим

Режим короткого

замыкания

Воздушная с деревянными опорами, в том числе с железобетонными приставками

60

2000 при t0 < 0,15;

1500 при t0 <  0,3;

1000 при t0 <  0,6;

Воздушная с железобетонными и металлическими опорами и кабельная магистральной и проводной связи, проводного вещания и местной связи

36

320 при t0 <  0,15;

240 при t0 <  0,3;

160 при t0 < 0,6;

Здесь t0 - время отключения тяговой сети при коротком замыкании, с.

 

ВЫВОДЫ

Проанализировав полученные данные можно сделать следующие выводы:

  • опасное напряжение при традиционной системе заземления выше, чем при отсутствии заземления опор контактной сети на тяговую рельсовую сеть (в среднем на 13 %);
  • с увеличением удельной проводимости земли опасное напряжение имеет нелинейный характер изменения в сторону увеличения (при наличии ТГЗ);
  • с увеличением тока КЗ опасное напряжение увеличивается;
  • на значение опасного напряжения существенным образом влияет длина сближения влияющей и подверженной влиянию линии lэ, а также коэффициент экранирования ТГЗ, который в свою очередь зависит от коэффициента β;
  • опасное напряжение не превышает допустимое значение напряжения;
  • усовершенствованная методика определения опасного напряжения в смежных линиях связи при магнитном влиянии тяговой сети переменного тока позволяет не только выполнить расчеты для системы без заземления опор, но и отказаться от допущений, которые не позволяли дать объективную картину магнитного влияния на смежные линии при наличии ТГЗ.

About the authors

Ilya A. Terekhin

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Author for correspondence.
Email: terekhin_ilya@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9873-4795
SPIN-code: 6947-0053
https://www.pgups.ru/sveden/employees/teryekhin-ilya-aleksandrovich

Russian Federation, 190031 St. Petersburg, Moskovsky pr., 9

Ph. D., Head of the Department of educational work and industrial training, Associate Professor of the Department Рower Supply of Railways

Ivan A. Kremlev

Omsk State Transport University

Email: ivkreml@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6722-6037
SPIN-code: 5756-7320

Russian Federation, 644010 Omsk, Karl Marx Ave., 35

Candidate of Technical Science, docent, Institute of electric transport and power supply systems, Department of power supply of railway transport

Igor V. Tarabin

Omsk State Transport University

Email: igor_tarabin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8956-4598
SPIN-code: 4248-7230

Russian Federation, 644010 Omsk, Karl Marx Ave., 35

Candidate of Technical Science, docent, Institute of electric transport and power supply systems, Department of power supply of railway transport

Erbol G. Abishov

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: abishov@pgups.ru
ORCID iD: 0000-0003-1746-7929

Russian Federation, 190031 St. Petersburg, Moskovsky pr., 9

engineer

References

  1. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. – М.: УМК МПС, 2002. – 638 с. [Bader MP. Elektromagnitnaya sovmestimost'. Moscow; 2002. 638 p. (In Russ.)].
  2. Косарев А.Б. Основы теории электромагнитной совместимости систем тягового электроснабжения переменного тока. – М.: Интекст, 2004. – 272 с. [Kosarev AB. Osnovy teorii elektromagnitnoj sovmestimosti sistem tyagovogo elektrosnabzheniya peremennogo toka. Moscow: Intekst; 2004. 272 p. (In Russ.)].
  3. ЦЭ-191. Инструкция по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных дорогах. – М.: МПС РФ, 1993. – 69 с. [CE-191. Instrukciya po zazemleniyu ustrojstv elektrosnabzheniya na elektrificirovannyh zheleznyh dorogah. Moscow: Ministry of Railways of Russia, 1993. 69 p. (In Russ.)].
  4. Кващук В.А., Кондратьев Ю.В., Кремлев И.А., Терёхин И.А. Методика проведения экспериментальных испытаний условий электробезопасности на участке тяговой сети переменного тока, эксплуатируемом без заземления опор контактной сети на рельс // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2016. – № 2(109). – С. 68–73. [Kvashchuk VA, Kondrat'ev YuV, Kremlev IA, Teryohin IA. The Methodology of Electrical Safety Pilot Testing on the Site of an ac Electrical Traction Network Operated with Ungrounded Catenary Supports. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016;2(109):68-73 (In Russ.)]. Доступно по: file:///C:/Users/user/AppData/Local/Packages/Microsoft.MicrosoftEdge_8wekyb3d8bbwe/TempState/Downloads/article_09_0%20(1).pdf Ссылка активна на 02.03.2020.
  5. Кузнецов А.А., Кремлев И.А., Терёхин И.А. Планирование эксперимента по оценке электромагнитного влияния тяговой сети переменного тока на смежные линии связи в аварийных режимах // Электроснабжение железных дорог: Межвузовский тематический сборник научных трудов. – Омск: ОМГУПС, 2016. – С. 18–21. [Kuznecov AA, Kremlev IA, Teryohin IA. Planirovanie eksperimenta po ocenke elektromagnitnogo vliyaniya tyagovoj seti peremennogo toka na smezhnye linii svyazi v avarijnyh rezhimah. Elektrosnabzhenie zheleznyh dorog: Mezhvuzovskij tematicheskij sbornik nauchnyh trudov. Omsk: OMGUPS, 2016. pp. 18-21. (In Russ.)].
  6. Шалимов М.Г. Мешающие влияния электрифицированных железных дорог на смежные устройства: учебное пособие. – Омск: Омская гос. акад. путей сообщения, 1996. – 107 с. [Shalimov MG. Meshayushchie vliyaniya elektrificirovannyh zheleznyh dorog na smezhnye ustrojstva: uchebnoe posobie. Omsk: Omskaya gos. akad. putej soobshcheniya, 1996. 107 p. (In Russ.)].

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Fig. 1. The equivalent circuit of the shielding action of the TGZ for a system without grounding the supports of the contact network to the traction rail network:

Download (22KB) Indexing metadata
2.
Fig. 2. The equivalent circuit of the shielding action of TGZ for a system with grounding the supports of the contact network to the traction rail network

Download (22KB) Indexing metadata
3.
Fig. 3. The power supply circuit of the contact network section Karasuk - Zubkovo

Download (43KB) Indexing metadata
4.
Fig. 4. The dependence of the hazardous voltage on the conductivity of the earth in the short circuit mode:

Download (57KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 193

PDF (Russian) - 41

Cited-By


PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2020 Terekhin I.A., Kremlev I.A., Tarabin I.V., Abishov E.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies