Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Обзор систем электроснабжения устройств СЦБ и постановка задачи исследования 8
1.1. Современное состояние систем электроснабжения устройств СЦБ 8
1.2. Объект и цель исследования 20
Раздел 2. Анализ влияния параметров систем электроснабжения на функционирование устройств СЦБ 26
2.1. Структурная схема сигнальной точки СЦБ 26
2.2. Влияние отклонений напряжения питания на работу рельсовых цепей 28
2.3. Влияние отклонений напряжения питания на работу аппаратуры преобразования информации 40
2.4. Влияние отклонений напряжения на работу ламп накаливания светофоров 52
Выводы по разделу 2 53
Раздел 3. Исследование показателей качества напряжений, питающих устройства СЦБ 55
3.1. Анализ токораспределения В Л СЦБ в рабочем режиме нормальной работы системы электроснабжения 55
3.2. Анализ нормального и аномальных режимов работы системы электроснабжения устройств СЦБ 62
3.3. Исследование параметров эквивалентной схемы В Л СЦБ 70
3.4. Исследование влияния характеристик трансформаторов системы электроснабжения на качество напряжения питания сигнальных точек СЦБ 83
Выводы по разделу 3 98
Раздел 4. Исследование и разработка методов улучшения характеристик систем электроснабжения устройств СЦБ 100
4.1. Исследование способа дискретного регулирования напряжения питания устройств СЦБ 101
4.2. Исследование способа непрерывного регулирования напряжения питания устройств СЦБ 108
4.3. Анализ системных вопросов повышения надежности электропитания устройств СЦБ 116
4.4. Анализ аппаратной реализации импульсных преобразователей постоянного напряжения в переменное 118
4.5. Использование аккумуляторной батареи для резервирования системы электроснабжения 131
4.6. Защита от перенапряжений оборудования электроснабжения и устройств СЦБ . 134
Выводы по разделу 4 146
5. Технико-экономическая эффективность и внедрение на сети дорог систем электроснабжения устройств СЦБ 148
5.1. Экономическая эффективность систем электроснабжения 148
5.2. Внедрение аппаратуры систем электроснабжения 157
Выводы по разделу 5 161
Заключение 162
Литература
- Объект и цель исследования
- Влияние отклонений напряжения питания на работу аппаратуры преобразования информации
- Анализ нормального и аномальных режимов работы системы электроснабжения устройств СЦБ
- Исследование способа непрерывного регулирования напряжения питания устройств СЦБ
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из основных задач, стоящих перед станционными и перегонными устройствами и системами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) является снижение числа отказов и улучшение условий безопасности движения поездов. В наибольшей степени критичность и важность достоверного решения этих вопросов возросла за последнее время в связи с происходящим внедрением в устройства СЦБ цифровой и микропроцессорной техники, что повлекло за собой усложнение применяемой аппаратуры и увеличение объема решаемых функциональных задач.
На фоне успешного решения этих проблем бльшая часть эксплуатируемых систем электроснабжения устройств СЦБ далека от совершенства. Принципы построения этих систем, практическая реализация и используемая в них аппаратура не изменялись на протяжении нескольких десятилетий прошлого века. Причем, можно утверждать, что на протяжении этого времени системы электроснабжения далеко не всегда удовлетворяли требованиям, предъявляемым устройствами СЦБ, что вызывало задержки поездов, а в некоторых случаях и ухудшение условий безопасности движения. Усложнение устройств СЦБ и применение новой элементной базы в значительной степени обострило проблемы влияния электроснабжения устройств СЦБ, воздействующих на их функционирование и обусловливающих, в некоторых случаях, появление отказов аппаратуры. Это относится, в первую очередь, к параметрам питающих напряжений электронной аппаратуры, которая пришла на смену релейной, менее критичной к отклонениям и колебаниям напряжения питания и его кратковременным исчезновениям.
Изложенное свидетельствует об актуальности работ, направленных на устранение недостатков существующих систем электроснабжения устройств СЦБ, что и определило научную и практическую направленность диссертационной работы. Следовательно, практической целью диссертационной работы является обеспечение основного параметра качества электроэнергии – не превышение допустимых устойчивых отклонений напряжения питания систем электроснабжения устройств СЦБ и разработка технических средств, обеспечивающих заданные параметры питающего напряжения, которые должны реализовывать бесперебойную работу станционных и перегонных устройств СЦБ с безусловным выполнением требований безопасности движения поездов.
Целью диссертационной работы является исследование систем электроснабжения устройств СЦБ и разработка новых систем и аппаратных средств с целью совершенствования их технико-экономических и эксплуатационных характеристик.
В диссертационной работе поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Анализ работы существующих систем электроснабжения устройств СЦБ и их характеристик, влияющих на функционирование рельсовых цепей и аппаратуры преобразования информации.
2. Разработка математической модели системы электроснабжения устройств СЦБ и получение расчетных уравнений для определения параметров входящих в систему функциональных узлов.
3. Исследование и разработка методов улучшения характеристик систем электроснабжения на основе новых технических решений с повышенной защитой от импульсных перенапряжений и лучшими характеристиками по параметрам напряжения питания устройств СЦБ.
4. Технико-экономический анализ систем электроснабжения и внедрение предложенных системных и схемотехнических решений на сети дорог.
Методы исследования. Для решения поставленных задач с целью исследования процессов передачи электрической энергии в линиях электропередачи и в аппаратуре электроснабжения использовались классические методы теории электрических цепей переменного тока, включая исследование волновых процессов распространения импульсов тока в линиях. При определении параметров систем электроснабжения использовался метод зеркальных отображений. Для исследования и при разработке электронных схем применялось представление полупроводниковых приборов в виде линейных и нелинейных электрических моделей и эквивалентных схем, основанных на использовании метода заряда в транзисторах, диодах и тиристорах. В некоторых случаях нелинейные свойства полупроводниковых приборов представлялись в виде аппроксимации вольтамперных характеристик кусочно-линейными функциями. Для повышения точности анализа и вычислений применялись современные методы вычислительной техники и прикладного математического обеспечения в среде Mathcad.
Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами:
1. Разработаны и научно обоснованы методы анализа процессов, происходящих в системах электроснабжения устройств СЦБ, включающие в себя:
исследование влияния параметров систем электроснабжения на функционирование устройств СЦБ;
разработку математической модели систем электроснабжения устройств СЦБ, позволяющей рассчитать требования к параметрам устройств регулирования напряжения;
исследование и разработка методов улучшения параметров напряжения систем электроснабжения устройств СЦБ.
2. Предложена и научно обоснована методика определения технико-экономических показателей систем электроснабжения устройство СЦБ.
Практическая ценность работы.
1. Предложены и разработаны принципы улучшения характеристик систем электроснабжения устройств СЦБ, которые применимы и используются на сети дорог РФ.
2. Предложены и разработаны новые принципы реализации систем электроснабжения устройств СЦБ, включая защиту аппаратуры от перенапряжений.
3. Результаты научно-технических исследований позволили создать новые структурные технические решения и аппаратуру, что позволяет повысить надежность работы устройств СЦБ и улучшить технико-экономические показатели.
Реализация результатов работы. Создан ряд трансформаторных подстанций с питанием от ЛЭП с напряжением 6; 10,5 и 27,5 кВ, а также преобразователей напряжения от контактной сети постоянного тока 2,44,0 кВ в напряжение 220 В переменного тока частотой 50 Гц, эксплуатирующихся или проходящих испытания на сети дорог. Предложен новый принцип построения систем электроснабжения устройств СЦБ на участках железных дорог с электротягой постоянного тока, исключающий из состава оборудования: ячейки фидеров СЦБ на тяговых подстанциях, линию ВЛ СЦБ и силовое оборудование сигнальных точек (разрядники, разъединители-предохраните-ли, трансформаторы).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Международный симпозиум: Электрификация и развитие железнодорожного транспорта. Традиции, современность, перспективы (СПб: МПС РФ, 2001); Межвузовская НТК: Фундаментные и прикладные исследования – транспорту (Екатеринбург: УрГАПС, 1996); Всероссийская научно-техническая конференция «Транспорт , наука, бизнес: проблемы и стратегия развития» (Екатеринбург: УрГУПС, 2008); а также доклады на заседании кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» УрГУПС (2006, 2007 г.г.) и на техсовете службы электрификации и электроснабжения Управления Свердловской железной дороги (2006, 2007 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 статей, включая 2 статьи в журналах «Железнодорожный транспорт» и «Транспорт Урала», включенных в Перечень ВАК РФ, а также получены 3 патента Российской Федерации на изобретения и один патент на полезную модель.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы (150 наименований). Текст диссертации содержит ____ страниц, включая ___ рисунков на ___ страницах.
Объект и цель исследования
Появление первых систем электроснабжения для устройств СЦБ основывалось на базе имевшихся в начале XX века устройств электропитания аппаратуры межстанционной связи, которая в то время была единственным средством регулирования движением поездов. Эти системы были довольно простыми и включали в себя либо гальванические элементы типа Лекланше, либо, в последующем, аккумуляторы с соответствующим буферным подзарядом от сети переменного напряжения, если оно имелось на станции [1, 2]. Появление первых устройств СЦБ, в частности, жезловой системы контроля свободности участков пути, практически не изменило указанной простоты систем электроснабжения, которые с позиций сегодняшнего дня нельзя называть системами.
В 30-х годах прошлого века на сети железных дорог появились системы механической централизации и блокировки на станциях и автоблокировки на перегонах, у которых основным средством контроля свободности участков пути были рельсовые цепи (РЦ). В дальнейшем системы механической централизации на станциях менялись на более совершенные - с реализацией зависимостей между стрелками и сигналами при помощи электромагнитных реле. Семафоры заменялись светофорами, а перевод стрелок стал осуществляться электроприводами. Устройства СЦБ на станциях и перегонах радикально усложнились, что обусловило соответствующее увеличение потребляемой мощности [2-4]. Батарейные системы электроснабжения перестали удовлетворять заданным требованиям функционирования аппаратуры СЦБ. Появление электротяги исключило возможность использования в рельсовых цепях источников постоянного напряжения. Переход на переменное напряжение электроснабжения устройств СЦБ обусловил также возможность замены точечной автоматической локомотивной сигнализации (АЛСТ) на более эффективную и более информативную: автоматическую локомотивную сигнализацию непрерывного типа (АЛСН). Эти обстоятельства привели к необходимости введения на участках дорог воздушных линий электропередач, предназначенных специально для электроснабжения станционных и перегонных устройств СЦБ (ВЛ СЦБ).
С появлением ВЛ СЦБ возник ряд вопросов по созданию специальных систем электроснабжения, функциональная сложность которых зависела от вида аппаратуры СЦБ и наличия или отсутствия на участках дорог электротяги постоянного или переменного тока [2-5]. Одновременно с этим, возросла сложность источников вторичного электропитания (ИВЭП), предназначенных для преобразования переменного напряжения в постоянные, требующиеся для питания аппаратуры СЦБ [5-7]. Последующая модернизация устройств СЦБ и широкое применение средств микроэлектроники обусловило дальнейшее совершенствование ИВЭП и переход на импульсные методы преобразования электрической энергии [8-10]. Одновременно с этим существенно, а иногда и радикально, возросли требования к качественным показателям электроэнергии, поставляемой потребителю. Причем, в качестве потребителей выступают не только традиционные устройства СЦБ, но и существенно более сложные современные и перспективные системы информатики и связи, которые в настоящее время, как и устройства СЦБ, определяют безопасность движения поездов. Усложнение внедряемых и разрабатываемых принципиально новых систем железнодорожной автоматики и телемеханики предъявляет существенно более жесткие требования к устройствам их электроснабжения. В частности, устойчивое допустимое отклонение напряжения питания логических микросхем, из которых состоят современные устройства СЦБ, должно не более 5% от Un, куда входят также и колебания напряжения, образующиеся за счет импульсных методов преобразования электрической энергии в ИВЭП. В наиболее значительной степени это относится к сложным многоуровневым системам обеспечения безопасности движения [11, 12], к аппаратуре передачи ответственной информации на локомотив с использованием радиоканала (АЛС-Р) [13] и др. В этом отношении отличительным свойством является усложнение перспективной перегонной и станционной аппаратуры по отношению к существующим устройствам СЦБ, которые ранее выполняли лишь функции контроля свободности блок-участков, положения стрелок и соответствующего переключения светофоров.
На протяжении последних десятилетий выполнены определенные теоретические и практические исследования в области оптимизации систем электроснабжения СЦБ, характеристик ВЛ СЦБ, электропитающих устройств и улучшения их параметров [7, 8, 14-24]. Кроме того, выпущен новый и современный учебник по электропитанию устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи для вузов железнодорожного транспорта [10].
Значительный вклад в развитие науки и практики систем электроснабжения и электропитания устройств СЦБ внес большой коллектив отечественных ученых и инженеров, среди которых можно отметить следующих: Л.А.Герман, А.Ф. Михайлов, Л.А. Частоедов, В.Е. Тюрморезов, А.Б. Фельдман, Д.А. Коган, Б.А. Аржанников, Б.С. Сергеев и ряд других.
Несмотря на то, что системы электроснабжения устройств СЦБ переменным током внедряются, эксплуатируются и модернизируются на сети дорог на протяжении многих десятилетий, надежность их работы недостаточна и их характеристики во многих случаях не удовлетворяют требованиям эксплуатации и безопасности движения поездов. В частности, анализ производственно-хозяйственной деятельности и безопасности движения на Свердловской железной дороге [25-27] показывает следующие данные, которые приведены на гистограмме рис. 1.1.
Влияние отклонений напряжения питания на работу аппаратуры преобразования информации
Таким образом, работоспособность сигнальных точек СЦБ может быть практически реализована. Однако, при существующих реальных показателях качества питающего напряжения Un, она обеспечивается путем принятия нестандартных мер, которые во многих случаях противоречат правилам эксплуатации, вызывают задержки поездов и могут в некоторых случаях нарушать условия безопасности движения. Практически это выражается, например, в установке временных обходных кабельных перемычек электроснабжения или др.
Существует несколько объективных причин значительной нестабильности напряжения питания /„ сигнальных точек СЦБ. Рассмотрим их на примере обобщенной структурной схемы системы электроснабжения сигнальных точек СЦБ, которая приведена на рис. 2.10. Подобная структура, хотя и обладает рядом недостатков, широко применяется на сети дорог [4].
Здесь обозначения соответствуют: ZCT„ - полное входное сопротивление /7-ой сигнальной точки; Wjvn - комплексная передаточная функция п-то линейного трансформатора, питающего соответствующую сигнальную точку: вл(і,...и) - комплексные передаточные функции элементов ВЛ СЦБ, каждая из которых определяется местом подключения соответствующего линейного трансформатора к ВЛ СЦБ; Z\ - полное внутреннее сопротивление первичного источника электроснабжения с напряжением, величина которого: U\ = var.
Рассматриваемая система является многосвязной и многомерной структурой с размерностью, равной п, и выходными параметрами напряжений Un\,...UHi,...Unn, причем полное входное сопротивление /-ой сигнальной точки ZCT/, подключенной к рассматриваемой ВЛ СЦБ, имеет вид следующей функциональной зависимости: где Zcri св - входное сопротивление г-ой сигнальной точки при свободности /-ой рельсовой цепи; ZCT/ зан - входное сопротивление /-ой сигнальной точки при движении поезда по і-ой рельсовой цепи (ее занятости). Значительная часть полной мощности S h потребляемой сигнальной точкой, приходится на рельсовую цепь, что в наиболее значительной степени сказывается при наличии в ней режима АЛС. Поэтому имеет место неравенство: ZCT/-CB ZCTJ-3UH5 и величина мощности 5СТ1- будет максимальной при шунтировании подвижным составом питающего конца z -ой рельсовой цепи. При вступлении поезда на начало г-ой рельсовой цепи выполняется приближенное равенство: Scriзан = Sc-псв, или, что равносильно,: ZCT/CB = ZCT/3aH- Таким образом, движение поездов по участку пути вызывает изменения тока, потребляемого /-ой сигнальной точкой, что в свою очередь обусловливает изменения токов в ВЛ СЦБ и тока, потребляемого от первичного источника.
Могут существовать два основных типа первичных источников электроснабжения. При электротяге это будет тяговая подстанция, а при автономной тяге могут быть самые различные источники: начиная от ЛЭП промышленных энергосистем и кончая гораздо менее надежными и в некоторых случаях некачественными промышленными или другими источниками переменного напряжения. Как у первого, так и у второго типов источников имеется объективно существующая нестабильность напряжения AU\ = U\ макс/i мин- Выходное напряжение первичного источника, являющееся входным для ВЛ СЦБ, выражается функцией
Um =AUu Z,, (ZCTl,...Zcm)] , (2.11) которой будет соответствовать своя нестабильность напряжения Л/вл С функциональной точки зрения ВЛ СЦБ имеет п выходов, к которым подключены линейные трансформаторы TV\,...TVn сигнальных точек. Если принять, что для всех сигнальных точек ZCT/- = const, то напряжение на каждом из выходов ВЛ СЦБ, равное напряжениям UTyh будет зависеть от значений соответствующих передаточных функций И вль которые определяют передачу электроэнергии от первичного источника на соответствующую /-ю сигнальную точку. Однако наличие свойства ZCTi = var обусловливает появление другой передаточной функции W , которую можно условно назвать обратной передаточной функцией. В частном случае, например, она выражает влияние сопротивления ZCT, на все остальные сигнальные точки, кроме г -ой. Это же относится и к передаточной функции Wry» которой будет соответствовать аналогичная обратная функция W .
Следовательно, напряжение питания каждой из сигнальных точек может быть описано следующей функциональной зависимостью: иш = №,Zl,(zal,..Zem),WTV,,W«!\ , (2.12) где комплексные передаточные функции выражают совокупность соответствующих параметров, также как и значения {Z .-.Z f). Для обеспечения работоспособности сигнальных точек СЦБ необходимо, чтобы при всех дестабилизирующих воздействиях аргументов, входящих в выражение (2.10), выполнялось условие (2.6). Практика показывает, что это не всегда выполнимо, что подтверждается также данными графика рис. 1.3 и Таблицы 1.1.
Наиболее радикальным средством выполнения условия (2.6) является реализация принципа стабилизации напряжения Uni непосредственно на входе каждой сигнальной точки. Первая попытка использования стабилизирующих устройств в системе электроснабжения сигнальных точек СЦБ была реализована в трансформаторной подстанции КТПОЛ-1,25/10(6)-0,22У1, эксплуатирующейся на ряде железных дорог [35-37]. Стабилизация - - напряжения в ней осуществляется путем переключения отводов вторичной обмотки линейного трансформатора при помощи двух симисторных ключей, что позволило получить двухпозиционное дискретное регулирование выходного напряжения." Кроме того, эта подстанция выполняет ряд дополнительных функций, повышающих надежность работы системы электроснабжения.
Анализ нормального и аномальных режимов работы системы электроснабжения устройств СЦБ
В эквивалентных схемах систем электроснабжения, приведенных на рис. 3.1, рис. 3.2 и рис. 3.4, условно показано, что устройства СЦБ подключаются непосредственно к выходным обмоткам однофазных трансформаторов. Однако, практически между ними существуют реальные соединительные линии, которые реализованы в подавляющем большинстве случаев в виде низковольтных кабельных вставок длиной ориентировочно от 30 до 300 м. То есть, между выходной обмоткой однофазного трансформатора и потребителем (аппаратурой СЦБ) появляется дополнительный Т-образный четырехполюсник, обладающий последовательным активно-индуктивным и параллельным емкостным сопротивлениями. В цепи электропитания аппаратуры сигнальной точки по напряжению 220 В включена обмотка аварийного реле и автоматические предохранители і- АВМ, что обусловливает появление дополнительного последовательного активно-индуктивного сопротивления. Практически это приводит к тому, что в цепи электропитания между выходной обмоткой трансформатора и реальными входами приборов-потребителей появляется дополнительное падение напряжения, величина которого находится в пределах АС/доп = (2... 10) В.
Эквивалентно это приводит к большей степени снижения внешних характеристик суммарного источника напряжения (трансформатор ОЛ + соединительные цепи выходной обмотки с приборами-потребителями) при увеличении, коэффициента нагрузки Кп (см. график рис. 3.8), что обусловливает большую нестабильность напряжения на входах приборов-потребителей сигнальных точек СЦБ.
Наклон внешних характеристик трансформатора (рис. 3.8) определяет его выходное сопротивление:
Если принять, что входное напряжение U\ трансформатора неизменно, то изменение напряжения AUlm на входах приборов потребителей устройств СЦБ можно приближенно определить как: пп \ ппмакс ппмин/\ вых доп/э V J где /„„ макс и /Ш1 мин - максимальное и минимальное значение тока, потребляемого приборами-потребителями сигнальной точки СЦБ; ZRon — сопротивление, обусловленное наличием соединительной линии от трансформатора до релейного шкафа СЦБ и внутренних и упомянутых соединений в шкафу.
Реальная величина тока потребляемого сигнальной точкой СЦБ составляет 1т = 3...5 А. Причем наибольшим потреблением тока из суммарного /пп обладают рельсовые цепи - ток 1щ. Как показано в Разд. 2, рельсовые цепи (РЦ) имеют два основных режима работы: нормальный и шунтовой. Шунтовой режим РЦ характеризуется наличием подвижного состава на рельсовой цепи. Причем нахождение колесных пар непосредственно на питающем конце РЦ эквивалентно короткому замыканию питающего конца, тогда ток /Рц = /РЦ макс. В нормальном режиме работы /Рц = /рцмин, а отношение максимального тока к минимальному лежит в пределах двух-четырех и более. Причем это отношение в значительной степени зависит от наличия или отсутствия атмосферных осадков, типа РЦ, сезона, состояния верхнего строения пути и др.
Таким образом, при наличии относительно большой величины тока 1Ш, который значительно больше токов, протекающих в ВЛ СЦБ, и его значительных изменений как в процессе эксплуатации и при движении поездов нестабильность напряжения на входе приборов-потребителей будет в значительной степени зависеть от параметров вторичной стороны трансформатора системы электроснабжения. В некоторых практических случаях выход напряжения питания сигнальных точек за допустимый нижний предел обусловлен именно этими факторами (см. статистические данные, приведенные в Разд. 1).
1. В соответствии с предложенной и научно обоснованной эквивалентной схемой выполнен анализ токораспределения в ВЛ СЦБ и устройствах электроснабжения в режиме нормальной работы системы. Введены и теоретически обоснованы параметры высоковольтной линии: активных, индуктивных и емкостных составляющих полных сопротивлений. Найдены выражения для расчета токов в высоковольтной линии. Предложенная эквивалентная схема и полученные уравнения позволяют рассчитать значения токов и напряжений в реальной В Л СЦБ.
2. Проведено исследование процессов ;, работы систем электроснабжения устройств СЦБ в различных режимах работы: режиме замыкания (как полного, так и неполного) одной из фаз ВЛ СЦБ на землю; режиме обрыва одной из фаз системы; режиме двух- и трехфазного замыкания (как полного, так и неполного) ВЛ СЦБ на землю. Показаны и теоретически обоснованы наиболее критичные для функционирования устройств СЦБ ситуации, возникающие при различных аномальных режимах работы системы электроснабжения. Предложены способы повышения качества работы устройств СЦБ с точки зрения их электропитания.
3. Выполнен анализ параметров системы электроснабжения устройств СЦБ. Определены уравнения для нахождения всего комплекса активных, индуктивных и емкостных составляющих полных сопротивлений линий, которые в соответствии с предложенной эквивалентной схемой позволяют выполнить полный цикл расчетов, требующийся при проектировании и строительстве систем электроснабжения устройств СЦБ.
4. Проведено исследование характеристик однофазного трансформатора ОЛ-1,25/6 (10). Результаты исследования показали, что во многих практических случаях точностные характеристики трансформатора не удовлетворяют требуемым нормам (С/п = 198-231 В) [113] и требуется повышение стабильности напряжения питания на входе сигнальных точек СЦБ методами, которую невозможно реализовать при помощи стандартных параметров трансформатора. При этом учтено также дестабилизирующее влияние кабельных вставок, соединяющих выходы однофазных трансформаторов с релейными шкафами устройств СЦБ и внутренние соединительные проводники и элементы в релейных шкафах СЦБ.
Исследование способа непрерывного регулирования напряжения питания устройств СЦБ
Напряжение на нагрузке определяется амплитудой импульса тока пробоя ОПН и сопротивлением заземлителя, которое зависит от его типа и удельного сопротивления грунта.
Удельное сопротивление грунта в зависимости от его вида (глина, суглинок, смешанный грунт - глина, известь, щебень; песок влажный) находится в пределах от 1 до 1000 Ом-м; гравия и щебня — 200 Ом»м, а для каменистых почв - 400 Ом«м.
Импульсное сопротивление единичного импульсного вертикального заземлителя определяется [152]: Ru = R a , где Лст сопротивление растеканию, рассчитанное для стационарного режима при низкой частоте и малой плотности тока; аи - импульсный коэффициент заземлителя, зависящий от типа заземлителя, удельного сопротивления грунта и амплитуды стекающего импульсного тока.
Рассмотрим влияние удельного сопротивления грунта на сопротивление растекания однотрубчатого заземлителя, определяемого как:
Для грунта, состоящего из гравия и щебня, имеем р = 200 Ом»м. Тогда при / = 2,5 м, d = 5 см, сопротивление растекания і?ст = 80 Ом и с учетом, что аи = 0,65- -0,7 при /м = 10 кА, будем иметь: RK = 52 Ом.
Для трансформаторных подстанций, у которых трансформатор имеет заземленную нейтраль, сопротивление і?ст должно быть не более 4 Ом, а при изолированной нейтрали - не более 10 Ом, независимо от удельного сопротивления грунта [154]. На скальных и вечномерзлых грунтах, когда их удельное сопротивление может достигать 1000 Ом м и более, выдерживать такие жесткие требования зачастую затруднительно. Поэтому при пробое ОПН со значительной амплитудой импульса разрядного тока на заземлителе подстанции, расположенной на скалистых и вечномерзлых грунтах, возникают перенапряжения.
Кроме того, на электрифицированных на постоянном токе участках железных дорог, когда корпус релейного шкафа соединен со средней точкой дроссель-трансформатора ДТ(см. схему рис. 4.22) и при срабатывании рогового разрядника возникает электрическая связь по цепи: контактный провод —» роговый разрядник — рельс —» средний вывод ДТ — разрядник РВНШ-250 — жила проводника ПХ (ОХ) в кабеле — блок БКУ — вторичная обмотка трансформатора ОЛ. При этом создается нежелательное перенапряжение на вторичной обмотке трансформатора ОЛ достигающее 3 кВ. Для устранения подобных явлений со стороны В Л СЦБ и со стороны контактной сети предлагается исключение разрядника РВНШ-250 из цепей ПХ (ОХ), и соединения высоковольтного заземлителя подстанции КТТТОЛ-1,25/10(6) с рельсами непосредственно или через средний вывод ДТ.
Предложенная схема подключения заземления перегонных сигнальных точек СЦБ и конструктивное исполнение трансформаторных подстанций (рис. 4.19 и 4.22) основана на результатах проведенного анализа. Подобное исполнение устройств электроснабжения выполнено на 16-и сигнальных точках автоблокировки трех перегонов Свердловской железной дороги. На протяжении 2-х лет эксплуатации отказов по причине грозовых или иных воздействий перенапряжения не зафиксировано, хотя ранее на этих точках они имели место. Это подтверждает рациональность разработанных технических решений и необходимость их дальнейшего распространения на сети дорог.
Электроснабжение станционных устройств СЦБ и связи (постов ЭЦ) отличается в первую очередь сложностью питаемой аппаратуры и пространственной разветвленностью питающих линий. Эта сложность определяет необходимость комплексного подхода к разработке устройств заземления распределенной системы электроснабжения и ее функциональных элементов. Причем, в отличие от перегонных точек СЦБ, спецификой станционных устройств является радикальное различие в размещении аппаратуры. В частности, на постах ЭЦ располагаются: устройства СЦБ, аппаратура радиосвязи, проводной связи, сложная информационно-вычислительная техника и др. Современные и перспективные устройства СЦБ включают в себя сложные микропроцессорные комплекты интегральных микросхем, что определяет ужесточение требований к их электропитанию. Это же относится и к другой аппаратуре, расположенной на постах ЭЦ.
Различие подходов к организации контуров заземления указанных устройств, а также неоднократные проводимые реконструкции, привели к образованию на постах ЭЦ различных, зачастую не связанных друг с другом контуров заземления. Создается опасность неуправляемого протекания тягового тока при аварийных режимах работы рельсовой цепи или контактной сети. Что в свою очередь приводит к возгоранию соединительных элементов малого сечения контуров заземления и в конечном итоге - к пожару.
В соответствии с изложенными трудностями проведены работы по разработке наиболее оптимальной структуры заземления устройств электроснабжения постов ЭЦ. В результате реализована структурная схема, приведенная на рис. 4.23 и разработаны соответствующие технические требования. Она была внедрена и принята за типовую для Свердловской железной дороги.
Здесь обозначения соответствуют: АМС — антенно-мачтовые сооружения; ЯРВ - ящик распределительный вводный; ЩВП - щит выключения питания; ПВ - панель вводная электропитания; ПР - панель распределения электропитания; ЩО/ЩС - щит бытовой сети электропитания; ТС - трансформатор силовой изолирующий; АРМ -автоматизированное рабочее место; ВКС — вводно-кабельная стойка связи; Р.ст. — радиостанция; ДГА, ЩДГА - дизель-генератор.
