ЗАКИЕВ IIIIIIIIIIIII IIIIIIIIIII Опасные электромагнитные поля на

На правах рукописи
Г*Ъ В» -—
ЗАКИЕВ
IIIIIIIIIIIII IIIIIIIIIII
00305GT8T
Евгений Эдуардович
Опасные электромагнитные поля на подвижном
составе и в локомотивных депо
электрифицированных железных дорог
Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
КАНДИДАТА технических наук
Москва 2007
2
Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии
«Всероссийский
научно-исследовательский
институт
железнодорожного
транспорта» (ФГУП ВНИИЖТ)
Научный руководитель:
доктор технических наук
КОСАРЕВ Александр Борисович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук
Бадёр Михаил Петрович (МИИТ)
кандидат технических наук
Марский Виталий Евгеньевич (ВНИИЖТ)
Ведущее предприятие:
Всероссийский научно-исследовательский
институт
автоматизированных систем (ВНИИАС)
Защита диссертации состоится «°0>> ОИРеЛД
2007 года в
часов на
заседании диссертационного совета Д218.002.01 при Федеральном Государственном
Унитарном Предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт
железнодорожного транспорта» по адресу: 129851, г. Москва, ул. 3-я Мытищинская,
д. 10, зал Ученого совета ВНИИЖТ.
Автореферат разослан «2о» ^ЧО>р"ПХ 2007 г
С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке института.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения,
просим направлять в адрес института.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор
JCiJ-^i)1^^
/П.Т. Гребенюк
3
Общая характеристика работы
Актуальность работы
Экологическая обстановка вблизи железных дорог характеризуется
влиянием электромагнитных полей, напряженность которых в сотни раз выше
среднего естественного уровня поля Земли.
Токи, протекающие в проводах высоковольтных и низковольтных сетей
электроснабжения,
генерируют
электромагнитные
поля.
На
электрифицированных участках железных дорог в тяговой сети из-за мощных
переходных процессов в режимах включения и отключения тяги, рекуперации,
регулирования скорости движения в аварийных режимах (короткие замыкания,
грозовые разряды и т.д.) протекают токи с широким спектром помех от 1 до 10
Гц. Кроме того, существенную долю в интенсивность электромагнитных полей
вносят различные системы телемеханики и управления, сотовая связС
радиопередатчики
железнодорожных
и
компьютерная
путей
техника.
возникают
В
сложные
результате
вдоль
нестационарные
электромагнитные поля (ЭМП), напряженность электрической и магнитной
составляющих которых во многих местах
превышает установленные в
нормативной документации допустимые уровни.
Электромагнитные волны с частотами 1 - 100 Гц сильно поглощаются
почвой, поэтому на небольшом удалении от контактной сети напряженность
поля падает более чем в десятки раз. Деревья и высокие кустарники также
существенно изменяют картину силовых линий, оказывая экранирующий
эффект благодаря наличию в древесине и листьях ионов.
Экспериментальное изучение биологического действия ЭМП показало,
что с напряженности поля 1 кВ/м наблюдаются изменения в нервной системе и
эндокринном аппарате человека. Слабые ЭМП также влияют на организм
человека и животных, приводя к изменению ритма сердечных сокращений,
уровня кровяного давления, электрической активности мозга и возбудимости
нервных клеток. Под действием слабых ЭМП у человека могут возникать
4
зрительные, слуховые и осязательные, у животных -
разнообразные
эмоциональные реакции. Наиболее высока чувствительность организмов к
многократным воздействиям ЭМП.
Масштабы электромагнитного загрязнения стали столь существенны, что
Всемирная организация здравоохранения включила эту проблему в число
наиболее актуальных для человечества. Поэтому в настоящее время во всем
мире развернуты широкие исследования, направленные на разработку методов
и средств обеспечения экологической безопасности в зонах влияния ЭМП.
Разработкой
электромагнитных
вопросов, . направленных
полей
на
смежные
на
устройства
снижение
влияния
железнодорожного
транспорта, занимался целый ряд отечественных и зарубежных ученых.
Отметим работы в этом направлении Бочева А.С., Азарова Н.Н., Косарева Б.И.,
Косарева А.Б., Котельникова А.В., Кузнецова К.Б., Марквардта К.Г. и многих
других ученых.
Разработке вопросов воздействия электромагнитных полей на организм
человека, а также созданию эффективных средств защиты человека от
воздействия этих полей посвящены работы Головко СВ., Думанского Ю.Д.,
Кривовой Т.Н., Сазоновой Т.Е., Григорьева Ю.Г., Петрова В.И., Долина П.А. и
других исследователей.
Однако выполненные до настоящего времени работы, охватывая широкий
круг вопросов по обеспечению электромагнитной безопасности, не ставили
основной целью детальное исследование параметров электрического и
магнитного полей в зонах нахождения обслуживающего персонала (тяговые
подстанции, контактная сеть, рельсовый путь и т.д.).
Основные
задачи
направленности
электроснабжение»
диссертации
соответствуют
научно-технической
комплексного отделения «Тяговый подвижной состав и
Всероссийского
железнодорожного.транспорта.
научно-исследовательского
института
5
Дель работы
Целью диссертационной работы является решение научно-практической
задачи обеспечения электромагнитной безопасности в зонах электромагнитного
влияния систем тягового электроснабжения и устройств подвижного состава.
Анализ и проверка уровней электромагнитных полей, генерируемых системами
электроснабжения железнодорожного транспорта и тягового подвижного
состава. Разработка технических и организационных решений, направленных
на
обеспечение
электромагнитной
безопасности
в
зонах
работы
обслуживающего персонала и зонах возможного нахождения пассажиров.
Методы исследования
Анализ параметров электромагнитного поля в зонах нахождения персонала
и устройств автоматики и телемеханики проведен с использованием метода
конечных элементов при расчете напряженности электрического поля и
использованием
теории
токораспределения
многополюсников
при
нахождении
реального
в тяговых сетях, а, следовательно, и напряженности
магнитного поля.
Результаты аналитических расчетов параметров электромагнитных полей
систем тягового электроснабжения достаточно хорошо согласуются с данными
экспериментальных исследований, проведенных на действующих участках
магистральных железных дорог, а так же на экспериментальном кольце
ВНИИЖТ. Расхождения между экспериментальными данными и результатами
расчетов не превышают 5 - 7%.
Обработка экспериментальных данных произведена в режиме реального
времени
с помощью приборов и устройств, выполненных
на базе
персонального компьютера;
Для
прогнозирования
полученных
результатов
о
параметрах
электромагнитных излучений для участков с тональными рельсовыми цепями
использовались методы планирования эксперимента.
6
Научная новизна работы
Научная
новизна
диссертационного
исследования
заключается
в
следующем:
- разработана математическая модель систем тягового электроснабжения,
учитывающая при расчете влияние нескольких различных источников
электромагнитного
излучения,
реальное
расположение
проводов
в
окружающем пространстве и сдвиг фаз напряжений в питающих линиях;
- разработана методика расчета электромагнитных излучений систем
тягового электроснабжения, отличающихся от известных
реальным учетом
распределения токов в проводах системы, а также • представлением обратных
проводов (рельсового пути, экранирующего провода и т.д.) линиями с
распределенными параметрами;
- обоснованы технические решения по совершенствованию методов и
средств обслуживания устройств контактной сети без снятия напряжения с
питающих и обратных линий, т.е. в условиях нормальной эксплуатационной
работы электрифицированных железных дорог.
Практическая значимость и внедрение
На основании выполненных исследований разработаны технические
предложения по повышению электромагнитной безопасности в зонах работы
обслуживающего персонала и зонах возможного нахождения пассажиров.
Разработана математическая модель тяговой сети переменного тока для
анализа магнитных полей в окружающем пространстве, учитывающая влияние
от нескольких различных источников электромагнитного излучения.
Определены технические решения по совершенствованию устройств
обеспечения электромагнитной безопасности, позволяющие уменьшить время
нахождения персонала в зонах электромагнитного влияния.
7
Апробация работы
Результаты работы и ее отдельные предложения докладывались на
конференции «Электрификация -
75 лет» на экспериментальном кольце
ВНИИЖТ ст. Щербинка в 2003 г. и на конференции «ТрансЖАТ» в г. Сочи в
2005 г.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано &
печатных работ.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти основных разделов, заключения,
списка использованных источников и предложений.
Работа изложена на
страницах, содержит
рисунка,
таблицы.
Основное содержание работы.
Введение посвящено решению поставленной в диссертации задачи:
обоснованию
технических
безопасности
работников
решений
по
обеспечению
железнодорожного
электромагнитной
транспорта
и
пассажиров
железных дорог, а также технических мероприятий по электромагнитной
совместимости смежных устройств электрифицированных железных дорог,
подтверждается ее актуальность, а также выбор темы, сформулированы
основные научные положения диссертационной работы.
В первой главе рассмотрена концепция обеспечения электромагнитной
безопасности
при
электрификации
России,
приведены
источники
электромагнитных полей, как природные, так и антропогенного происхождения
различных частотных диапазонов, создающие электромагнитную обстановку,
которая
может
быть
рассмотрена
как
источник
помех
в
отношении
жизнедеятельности человека и биоэкосистемы. Отмечены разный подход к
оценке
воздействия
электромагнитных
полей
на
организм
человека
в
документации России и зарубежных стран и необходимость проведения работ
по приведению нормативной базы к единым .требованиям.
Приводится
описание
вводимого
на
территории
Российской
Федерации
8
нового
технического регламента «Об электромагнитной совместимости». Приведен
анализ этого регламента.
Далее в главе 'проведен обзор действующих на территории России
нормативных документов, а также дано обоснование целесообразности
использования санитарных норм и правил, контроль за которыми возлагается
на Министерство здравоохранения РФ, при электрификации железных дорог,
показана
необходимость
разработки
первичных
критериев
в
электробезопасности (допустимых токов и напряжений для человека), а также
уточнению,
в
сторону
увеличения,
предельно
допустимых
уровней
напряженности электрического поля промышленной частоты. Это обусловлено
тем, что при обосновании норм на допустимые уровни напряженности
электрического поля не учитывалось влияние тела человека на искажение
плоско-параллельного электрического поля при эксперименте.
Вторая
глава
посвящена
описанию
методов
оценки
и расчета
электромагнитных полей при различных конфигурациях железнодорожного
полотна, а также при наличии различных строений в зоне прохождения
электроподвижного состава.
При
электрической
тяге
на
формирование
характеристик
электромагнитной обстановки оказывают влияние:
- разновидность источников электромагнитных полей и их энергетические
характеристики;
амплитудно-временные
(частотные)
характеристики
излучения
направленности
излучения
электромагнитных полей;
поляризационные
характеристики
электромагнитных полей;
- состояние среды в области формирования электромагнитной обстановки
от воздействия внешних и внутренних полей;
расстояние
от
источника
электромагнитного
излучения
9
до
рассматриваемой области и соответствующие ему поля ближней и дальней
зоны излучения.
Показано, что специфика эксплуатации электроустановок в системах
электрической
тяги
имеет
ряд
особенностей.
Это
не
только
их
распределенность вдоль путей, но и определенные режимы работы:
нормальный, вынужденный, короткого замыкания, с кратковременными и
длительными перегрузками и т.д. Наличие на сети дорог распределенных по
длине электрических сетей тягового и нетягового электроснабжения только
усиливает влияние различных режимов их работы на экологическую
электромагнитную обстановку.
Приводятся результаты исследований факторов, оказывающих влияние на
электромагнитную
обстановку
вблизи
электрифицированных
участков
магистральных железных дорог. Так, с точки зрения распространения
магнитного поля тяговой сети структуру каждого из контуров наиболее точно
можно представить как поле двух параллельных бесконечно длинных проводов
с противоположно направленными токами. Это обстоятельство определяется и
геометрическими размерами образованных контуров, т.к. расстояние между
проводами или высота контактного провода над головкой токоведущего рельса
составляет несколько метров (от 5 м для магистрального транспорта), а длина
контура составляет несколько десятков километров (в пределе длины
межподстанционной зоны). Для таких геометрических размеров без большой
погрешности можно рассматривать модель структуры электромагнитного поля,
как модель поля от двух параллельных бесконечно длинных проводов с
противоположно направленными в них токами:
*
где
z-h
2л- х + ( й - г ) 2
2
z
x2+z\
h
- высота подвеса провода;
I
- ток в проводе;
X, i
1
х
2л-
г - геометрические д<знные контура
1
2
x +(h-Zf
Такой
модели
поля
не
будет
соответствовать
10
его
структура
распространения около потребляющего ток ЭПС или около питающей тяговой
подстанции. Анализ расчетных формул показывает, что индукция магнитного
поля колеблется в пределах от 3,0 до 30 мкТл при изменении тока в тяговой
сети от 100 до 1000 А.
К
группе
особо
опасных
источников
электромагнитного
поля,
находящихся в данный момент в эксплуатации, по степени их влияния на
человеческий организм отнесены:
- тяговая сеть переменного тока 25 кВ и 2x25 кВ;
-
тяговые
сети
переменного тока
повышенного
напряжения с
автотрансформаторами;
- электроустановки тяговых подстанций и локомотивных депо;
- тяговые двигатели и преобразовательные установки локомотивов,
электроустановки поездов, системы электроотопления вагонов;
воздушные
линии
электроснабжения
нетяговых
потребителей
напряжением свыше 1000 В;
- воздушные линии высокого и сверхвысокого напряжения при
пересечении их с железнодорожным полотном.
В частности, отмечается, что системы тягового электроснабжения с
повышенным
напряжением в питающих проводах являются
наиболее
опасными, с точки зрения электромагнитного влияния на персонал.
Экспертным
путем
подтверждена
необходимость
повышения
электромагнитной безопасности на объектах железнодорожного транспорта.
Электродинамический подход является наиболее распространенным и
широко применяемый на практике. Он базируется на решении уравнений
Максвелла и определении значений напряженности электрических Е и
магнитных Н полей в интересующей точке или области от сосредоточенных
или распределенных источников.
Энергетический подход может быть применен в том случае, когда
необходимо знать мощность, которая может выделиться в рецепторе (элементе
11
ТС) электромагнитной энергии. Так, можно считать, что для однородной
плоской электромагнитной волны векторы Е и Я взаимно перпендикулярны,
однородны и находятся в фазе в любой плоскости, перпендикулярной
направлению ее распространения.
Вероятностный метод широко может быть использован при определении
характеристик надежности тяговых сетей, их отдельных блоков и узлов,
имеющих
рецепторы
энергии
электромагнитных
полей.
При
этом
количественно оценивается электромагнитная обстановка сравнением между
собой вероятности превышения наперед заданных, по условиям сохранения
работоспособности тяговых сетей, уровней сигналов с входными сигналами
помех.
Наиболее точно для практических расчетов магнитная индукция
электротяговых сетей переменного тока сложной конфигурации при наличии
постов секционирования и пунктов параллельного соединения как для
перегонов и станций, так и для локомотивных депо может быть определена по
формуле:
Р
где
р - расстояние от контактной подвески с током /, располагающейся со
стороны, где имеется магнитная индукция, до,{рассматриваемой точки
пространства;
Kt - коэффициент, характеризующий увеличение магнитной индукции
многопутных участков, контактные подвески которых соединены параллельно;
К2 — коэффициент, учитывающий уменьшение магнитной индукции за
счет протекания тока от нагрузки (тока к.з.) к подстанции по рельсовому пути;
К3 - коэффициент, зависящий от удельной электрической проводимости
земли;
К4 - коэффициент, зависящий от системы электрификации.
Методы
определения
параметров
электромагнитных
12
полей
подразделяются на две категории: аналитические решения и практические
измерения.
Для
оценки
биологического
воздействия
на
организм
человека
электрического поля тяговых сетей и, соответственно, времени нахождения
людей в электрическом поле необходимо определить картину распределения
напряженности в зонах нахождения персонала.
Аналитические решения целесообразно применять в том случае, если
границы исследуемой области описываются достаточно простыми функциями в
некоторой системе координат (например - шар, цилиндр, прямоугольник и
т.д.). Кроме того, требуется однотипность граничных условий вдоль
координатных
поверхностей. На практике приходится
сталкиваться с
границами сложной формы и разнотипными граничными условиями вдоль
координатных поверхностей.
К настоящему времени наибольшее распространение при расчетах
электромагнитных полей получили такие методы как метод конечных
разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных
элементов (МГЭ), метод интегральных уравнений (МИУ), метод эквивалентных
зарядов (МЭЗ).
Метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод граничных
элементов основаны на численном решении уравнений Пуассона или Лапласа
либо других эквивалентных им задач.
При проведении расчетов примем следующие допущения:
-
несущий
трос, контактный
провод
и
усиливающий
провод
прямолинейны, параллельны и имеют бесконечную длину;
-
железнодорожный
путь
контактной подвески;
- профиль пути симметричный.
прямолинеен
и параллелен
проводам
13
Принятые допущения позволяет считать электрическое поле тяговой сети
плоскомеридианным. Поэтому достаточно найти распределение потенциала и
напряженности поля перпендикулярного сечения тяговой сети.
Распределение потенциала д> электрического поля в однородной
линейной среде описывается уравнением Лапласа:
й<р = 0.
(2.1)
На границе области анализа Г, включая поверхность земли и
железнодорожного полотна, потенциал будем полагать равным нулю:
<з/Г = 0.
(2.2)
Потенциалы несущего троса, контактного и усиливающих проводов
одинаковы и равны номинальному напряжению контактной сети:
Сложная
конфигурация
железнодорожного
полотна
не позволяет
получить аналитическое решение задачи (2.1) - (2.3). Поэтому задачу будем
решать численным методом. Ограниченность области анализа позволяет
применить метод конечных элементов. При расчете поля методом конечных
элементов целесообразно перейти от дифференциальной (2.1) к вариационной
формулировке задачи. Известно, что дифференциальная постановка задачи
эквивалентна следующей вариационной постановке:
ср: J{<p) = ^{gradipf dO.
> min
(2.4)
n
<P' Г = 0;
где
рш = p„„, = <pm = v c .
(2.5)
Q. — плоская область анализа с внешней границей Г.
Итак, задача сводится к нахождению функции (», доставляющей минимум
функционалу J{<p) и удовлетворяющей граничным условиям (2.5).
Расчет
поля
тяговой
сети
с
учетом
профиля
двухпутного
железнодорожного полотна проводится с помощью разбиения рассматриваемой
области на конечные элементы (рис. 2.1).
14
Рис. 2.1 Пример разбиения области для анализа электромагнитных полей
В итоге, после проведенных расчетов, в главе приводятся расчетные
уровни
электромагнитных
железнодорожном
полей
транспорте.
от
Показано,
различных
что
источников
расчетные
на
уровни
электромагнитных полей от различных источников в нормальных режимах
работы ЭПС, устройств СЦБ и автоматики удовлетворяют требованиям
стандартов Российской Федерации.
Третья глава посвящена анализу параметров электромагнитных полей на
локомотивах и электропоездах, в вагонах, в локомотивных депо и на
платформах.
При проведении инструментального контроля уровней на рабочих местах
в ЭПС, электропоездах и других подвижных единицах (дизель-поездах,
тепловозах, автомоторизах и т.п.), а также в пассажирских вагонах и салонах
электропоездов различных типов измерялись параметры электромагнитного
поля:
15
-
действующие
(среднеквадратические)
значения
напряженности
электрического поля Е (В/м) в диапазонах частот от 2 Гц до 400 кГц
(электрическая составляющая);
- действующие (среднеквадратические) значения плотности потока
магнитной индукции В (мкТл) в диапазонах частот от 2 Гц до 400 кГц
(магнитная составляющая).
При проведении инструментального контроля уровней электромагнитных
полей все электромагнитные поля исследуемого рабочего места и пассажирских
салонов измеряются во всех тяговых режимах.
Все практические измерения проводились в соответствии с методикой,
разработанной
во
ВНИИЖТе
на
основании
Методики
проведения
инвентаризации источников электромагнитных излучений на железнодорожном
транспорте.
Для проведения измерений уровней переменного ЭМП на рабочих местах
использовались поверенные приборы: измеритель напряженности магнитного
поля, тип МФ-107А, а также типа ВЕ-метр-АТ-002, а для измерения
поверхностного электростатического поля применялся прибор ЭСПИ-301 Б.
Установлено, что в кабине машиниста - на рабочем месте, в кузове - в
проходах вблизи высоковольтной камеры, на сиденьях в пассажирских вагонах
наблюдаются максимальные значения параметров электромагнитных полей.
Приведенные измерения электромагнитных полей показали, что в локомотивах
наибольшее проявление имеют магнитные поля, достигающие от 3,4 мкТл
(переменный ток) до 5+7 мкТл (постоянный ток). Эти данные получены при
измерениях
в
пределах
высоковольтной
преобразователей (точки 2,3,5 на рис. 3.1).
камеры,
трансформатора
и
Схема мест измерения напряженностей электрического и магнитного по
Схема мест измерения напряженностей электрического и магнитного полей в
*
1
Л
иГ - место проведения измерений напряженностей электрического и магнитного поле
Рис. 3.1
17
Измерениями магнитных полей в электропоездах установлено, что
величины напряженности мапштного поля в них находятся в пределах на
2(Ь-30 % ниже, чем в локомотивах.
Особенно насыщенной в части воздействия магнитных полей является
крыша локомотива при электротяге постоянного тока, т.к. при этом в тяговой
сети протекают значительные токи (до 4000 А). Установлено, что в этих местах
уровень магнитного поля достигает значений, равных 300-К350 мкТл.
Важное
место
в
исследованиях
занимали
вопросы
проявления
ультранизкочастотных магнитных полей. Предельные уровни таких магнитных
полей не регламентированы. Анализируя полученные данные с позиции
современных представлений о механизме действия фактора магнитного поля,
необходимо подчеркнуть высокую биологическую активность регистрируемых
низкочастотных полей (от 0,01 до 50 Гц).
Это
обусловлено
тем, что на
ультранизких частотах происходят ритмические процессы в организме и
технологические магнитные поля могут влиять на их протекание. Кроме того,
высокие градиенты полей и крутизна фронтов импульсов (что характерно для
электрической тяги) также существенно влияют на конечный биологический
эффект, усиливая воздействие отрицательных факторов.
Можно утверждать, что систематическое воздействие магнитного поля с
низкой частотой на организм машинистов на фоне других неблагоприятных
факторов (шум, вибрация, стрессовые ситуации и т.п.) может вызывать
нарушения работы организма особенно, со стороны центральной нервной
системы (снижение работоспособности, памяти, внимания и т.п.). Это, в свою
очередь, может влиять и на безопасность движения. Указанный вывод
относится и к магнитным полям, регистрируемым в пассажирских поездах и
салонах электропоездов. Установлено, что фон импульсных магнитных полей в
кабине машиниста
составляет
0,3-^5 мкТл. Однако
есть и
аномалии,
достигающие 35-400 мкТл. Из анализа данного вопроса следует, что с
импульсными
магнитными
полями
(например, путем применения экранов).
следует
бороться
более
интенсивно
18
В рамках данной работы проводилась оценка магнитных полей на
открытых территориях локомотивных депо, других служебных зданиях и
помещениях, входящих в состав локомотивного хозяйства. Установлено, что
интенсивность электромагнитных полей в зонах ЛЭП на территории депо
зависит от множества факторов: класса напряжения ВЛ, высоты подвеса
проводов, токовой нагрузки на линию, расстояния ВЛ и кабельных линий от
помещений. Измерения показали, что магнитное поле на участках, где
происходит ремонт и подготовка локомотивов составляет от 3 до 30 мкТл. Это
надо учитывать, производя аттестацию рабочих мест.
Электрические поля Е относительно нулевого потенциала земли,
появляющиеся в свободном пространстве, окружающем ВЛ, определяются
потенциалом,
создаваемым
линией
и
ее
зеркальным
отображением
относительно поверхности земли, что можно определить по формуле:
...
4hK
„ r r Inч 1 +a-2+h2+K2-2hK)
E=U
(В
»4*J
где
U- напряжение ВЛ, В;
я - высота подвеса, м;
d - диаметр провода, м;
К - расстояние между проводами, м.
В случае магнитного воздействия напряженность поля на расстоянии г от
контактного провода определяется в соответствии с законом полного тока:
1-ехр(
max
« _
)
Г
*
2тгде
[
(А
ум
Тс - постоянная времени сети (до 0,17 с).
Для анализа напряженностей электрического поля вблизи контактной
сети, воздействующего на персонал, проведен расчет для следующих условий:
h = 5 м (минимальная высота подвеса контактного провода для магистрального
транспорта по требованиям «Правил устройства и технической эксплуатации
19
контактной сети электрифицированных железных дорог»), d = 0,0128 м, К =
1,75 м. Расчетные данные {Е\ - напряженность электрического поля по оси
контактной
подвески
на
поверхности
земли,
Ei
— напряженность
электрического поля у контактного провода) приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Расчетные значения напряженностей электрического поля
вблизи высоковольтной линии
Род тока
Постоянный
ток
Переменный
ток
£/, кВ
Е\, кВ/и
Е2, кВ/и
0,6
1,5
3,0
6,0
10,0
25,0
0,0706
0,176
0,261
0,706
1,18
1,34
0,282
0,704
1,34
2,82
4,69
11,2
Напряженность
электромагнитного поля,
кВ/м, при А/м
5 (6,25) 10 (12,5)
20 (25)
0,00568
0,00160
0,0158
0,0142
0,0395
0,00401
0,00948
0,0809
0,033
0,158
0,0568
0,0160
0,263
0,0947
0,0267
0,674
0,275
0,0790
Примечание: при напряженности электрического поля до 5 кВ/м человек
может находиться 8 часов (рабочий день) без специальных средств защиты.
Очевидно, что полученные данные отражают исключительно общую
картину воздействия ЭМП на окружающую среду в пассажирских составах,
поскольку нет данных по аварийным режимам, а также сведений по оценке
электропотребления на собственные нужды. Тем не менее измерениями
установлено, что электромагнитная обстановка в пассажирских салонах может
быть охарактеризована как «электромагнитный хаос» из низкочастотных
магнитных полей с большими градиентами и крутыми фронтами, наиболее
проявляющихся при разгоне и торможении. При этом уровень магнитного поля
меняется в пределах 0,3-^-5 мкТл. В процессе измерений были получены
аномальные значения от 35^-265 мкТл, длительностью до 3-^5 сек. Вероятнее
всего эти данные характеризуют особые режимы работы преобразователей (к.з.,
перегрузка по току и т.п.). Эти данные не должны входить в предельно-
20
допустимые значения ЭМП, учитывая их малую длительность во времени.
Поэтому за расчетные режимы при определении допустимых уровней
магнитного поля должны быть приняты тяговые режимы длительностью не
менее 2 часов для электропоездов и неограниченно длительное время - в
пассажирских вагонах.
Электрическое воздействие на пассажиров не определялось, т.к.
металлические оболочки вагонов являются хорошими экранами.
Четвертая
глава
диссертации
посвящена
анализу
параметров
электромагнитных полей, влияющих на устройства СЦБ и АЛС.
Устройства сигнализации на железнодорожном транспорте являются, с
одной стороны, техническими средствами, которые могут излучать в
окружающее пространство электрические поля (неионизирующего излучения),
а с другой - сами подвержены так называемому вторичному (обратному) как
гальваническому,
так
и электромагнитному
воздействию
других ТС,
приводящие в ряде случаев не только к мешающим, но и опасным отказам. В
зарубежной практике разрабатываются комплексные предельно-допустимые
значения как с точки зрения снижения вредного воздействия на людей, так и
влияния на технические средства СЦБ.
В общем виде параметрами источника влияния являются: основные и
гармонические составляющие тока тяги, рекуперации и отопления, токи и
потенциалы переходных процессов при переключениях и коротких замыканиях
в системе тягового электроснабжения и на электроподвижном составе.
Следует
отметить,
что
помехи
от
тягового
оборудования
и
вспомогательных устройств значительно возрастают в связи с использованием
современной преобразовательной техники, характеризующейся высокими
напряжениями и коммутацией значительных мощностей с высокой тактовой
частотой и токовыми импульсами большой крутизны. Кроме этого, на
железных дорогах дополнительные сложности вызваны высокой плотностью
компоновки оборудования на ЭПС и вагонах, где силовые устройства и
системы управления располагаются рядом, а также движением тягового
21
подвижного состава вблизи устройств СЦБ, связи, радио и телекоммуникаций.
Все эти факторы обуславливают принятие на сети железных дорог особо
жестких норм, правил и технических требований к системам и оборудованию.
Изложены принципы разработки технических решений и устройств
защиты от воздействия электромагнитных полей и перенапряжений при
электрической тяге.
Грозовые разряды могут приводить к возникновению некоторых
специфических режимов — к однофазным замыканиям на землю ВЛ
автоблокировки. Ток однофазного короткого замыкания длительное время
может протекать по жилам кабеля и вызывать плавление изоляции жил и корот­
кое замыкание с вытекающими негативными последствиями.
Предлагается система грозозащиты и заземления устройств связи и авто­
блокировки. При разработке этой системы использован ряд принципов,
позволяющих с высокой степенью вероятности исключить повреждение
изоляции кабельных сетей как при грозовых разрядах в контактную сеть и
высоковольтные линии автоблокировки, так и при коротких замыканиях в
тяговых сетях переменного тока.
Приведены требования к сборным стыкам с точки зрения снижения
намагниченности рельсов.
Рельсы обладают продольной намагниченностью и незначительной
неоднородностью магнитной индукции по сечению. Уровень присутствующей
поперечной составляющей в зоне изолирующего стыка незначителен и не
создает проблем при эксплуатации. Наибольшая индукция наблюдается в
стыке на торцах рельсов в верхней его части. Из-за индукции в стыке на
торцах
рельсов
зачастую
происходит
перекрытие
рельсовой
линии
металлической стружкой. Приведены результаты измерений намагниченности
рельсового стыка с различными накладками, а также предложения по
снижению намагниченности рельсов.
22
Основные результаты и выводы по работе
1. Разработана математическая модель распределения электромагнитных
полей на железнодорожном участке и на территориях локомотивных депо,
учитывающая реальное расположение проводов в пространстве и сдвиг фаз
мгновенных комплексных амплитуд напряжений проводов относительно земли,
а также учитывающая реальный рельеф местности.
2. Уточнена схема для практических расчетов магнитной индукции
электротяговых сетей переменного тока сложной конфигурации при наличии
постов секционирования
и пунктов параллельного соединения
как для
перегонов и станций, так и для локомотивных депо.
3. Количественно оценена степень влияния геометрии подвеса проводов
ЛЭП при пересечении их с проводами контактной сети как 27,5, так и 3 кВ, а
также зоны опасного нахождения людей вблизи таких пересечений.
4. Разработана методика оценки параметров электромагнитных полей на
рабочих местах и в зонах нахождения обслуживающего персонала, где
учитываются факторы повышающие электробезопасность персонала, а также
пассажиров.
5.
Показана
эффективность
выбора
электромагнитного
влияния,
с
учетом
электроподвижного
состава
и
смежных
устройств
различных
систем.
защиты
режимов
Даны
от
работы
конкретные
рекомендации по защите от воздействия электромагнитных полей.
6. Подтверждена эффективность внедрения индивидуальных заземлителей,
систем грозозащиты, металлополимерных рельсовых накладок для повышения
надежности работы системы тягового электроснабжения.
Установлено,
что
внедрение
этих
устройств
в системах
тягового
электроснабжения решает задачу повышения электромагнитной безопасности
обслуживающего персонала за счет сокращения времени его нахождения в зоне
воздействия электромагнитных полей без использования
индивидуальных
средств защиты, а также снижает уровни воздействия на смежные устройства
СЦБ и АЛС.
23
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;
1. Опасное влияние систем тягового электроснабжения переменного тока на
кабельные линии СЦБ и связи. А.Б. Косарев, А.В. Наумов, Е.Э. Закиев //Вестник
ВНИИЖТ. 2004. №1. С. 29-31.
2. Особенности построения цепей канализации токов электроотопления вагонов
по рельсам в пунктах подготовки поездов. Г.Б. Игнатов, Е.Э. Закиев, А.В. Наумов
//Вестник ВНИИЖТ. 2004. №2. С. 14-17.
3. Основные направления повышения надежности электроснабжения устройств
СЦБ. Г.Б. Игнатов, Е.Э. Закиев, А.В. Наумов //Вестник ВНИИЖТ. 2005. №1. С. 9-13.
4. Электромагнитная совместимость рельсовых цепей СЦБ с устройствами
зашиты подземных сооружений, подключенных к рельсам, от электрокоррозии. Г.Б.
Игнатов, Е.Э. Закиев. А.В. Наумов //Вестник ВНИИЖТ. 2005. №2. С. 13-20.
5. Оптимизация параметров цепей обратного тока тягового электроснабжения
в условиях интенсификации движения и повышения весовых норм поездов. А.В.
Котельников, А.В. Наумов, Е.Э. Закиев //Вестник ВНИИЖТ. 2006. №1. С. 3-12.
6. Обоснование эффективности замены медных перемычек и соединителей.
А.В. Наумов, В.Е. Демченко, Е.Э. Закиев, //Автоматика, телемеханика, связь. 2004.
№9. С. 34-37.
7. Система Автоматической Идентификации. Задачи, проблемы, перспективы:
Размещение, установка и эксплуатация напольного оборудования. А.В. Наумов, Е.Э.
Закиев, Г.Б. Игнатов и др. //Железнодорожный транспорт. 2004. №9. С. 23-29.
8. Напряженности электрического и магнитного полей на подвижном составе, в
пассажирских вагонах, устройствах СЦБ и связи. А.Б. Косарев, А.В. Наумов, Е.Э.
Закиев //Сборник статей молодых ученых и аспирантов «Железнодорожный
транспорт на современном этапе развития». 2005. ИНТЕКСТ: М. С. 67-72.
Подписано к печати 20.03.2007 г.
Формат бумаги 60x90. 1/16 Объем 1,5 п.л.
Заказ 51 Тираж 100 экз.
Типография ВНИИЖТ, 3-я Мытищинская ул., д.Ю