На правах рукописи Остапенко Алексей Николаевич ЗАЩИТА ОТ ЭЛЕКТРОКОРРОЗИИ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ
реклама
На правах рукописи Остапенко Алексей Николаевич ЗАЩИТА ОТ ЭЛЕКТРОКОРРОЗИИ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРОТЯГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ОБРАЩЕНИИ ПОЕЗДОВ ПОВЫШЕННОЙ МАССЫ И ДЛИНЫ Специальность: 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2012 2 Работа выполнена исследовательский (ОАО «ВНИИЖТ») в Открытом акционерном обществе «Научноинститут железнодорожного транспорта» Научный руководитель: доктор технических наук Подольский Виктор Иванович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Котельников Александр Владимирович, главный научный сотрудник отделения «Электрификация и энергоснабжение железных дорог» ОАО «ВНИИЖТ» кандидат технических наук Хорошевский Роман Алексеевич, начальник отдела ПКБ по электрификации железных дорог – филиала ОАО «РЖД» Ведущая организация: Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ) Защита состоится «___» «________» 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 218.002.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ») по адресу: 107996, Москва, 3 – я Мытищинская ул., 10, зал Ученого Совета. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВНИИЖТ». Автореферат разослан «____» _________2012 г. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим выслать в адрес диссертационного совета. Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., доцент Д.В. Ермоленко 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. За прошедший более чем полувековой период времени от начала внедрения электрической тяги переменного тока напряжением промышленной частоты 50 Гц учеными и специалистами разработана общая теория электромагнитных процессов в электроустановках, использующих частично землю в качестве обратного провода. Систематизированы научные основы проектирования, эксплуатации и ремонта тяговых сетей магистральных железных дорог, электрифицированных на переменном токе. Характерной особенностью тяговых сетей переменного тока является создаваемое ими мощное электромагнитное поле, вызывающее существенное повышение разности потенциалов тяговых рельсов, шпал, балласта, земляного полотна, земли, заземляющих устройств, а также металлических протяженных коммуникаций, в том числе отключенных и заземленных участков контактной сети соседних путей. Основной период исследований системы питания электротяги напряжением промышленной частоты в нашей стране пришелся на 70-е – 80-е годы прошедшего столетия. Работа системы того времени характеризовалась максимальной пропускной способностью участков с поездами массой 3 – 3,5 тыс. т. В последние годы перед компанией ОАО «РЖД» возникли вопросы удовлетворения рыночного спроса на перевозки, повышения эффективности деятельности, качества услуг и глубокой интеграции в Евроазиатскую транспортную систему. Увеличение массы и длины грузовых поездов является одним из резервов увеличения пропускной и провозной способности железных дорог России. Комплекс технических, организационных и технологических мероприятий, направленных на обеспечение безотказной работы железнодорожных устройств, апробирован для пропускных мощностей участков, эксплуатирующихся с 70-80 годов прошлого века. Развертывание тяжеловесного движения требует пересмотра нормативно-технической базы и проведения исследований, направленных на обеспечение безотказной 4 работы устройств железнодорожной инфраструктуры, включая разработку защит опор контактной сети от токов утечки при обращении поездов повышенной массы и длины на линиях переменного тока. Целью работы является повышение безопасности движения поездов повышенной массы и длины на линиях переменного тока путем обеспечения безаварийного нормативного срока службы опор контактной сети. Указанная цель достигается решением поставленных задач: - определение разности потенциалов рельсовой сети и относительно удаленной (нулевой) точки земли* для упомянутых в цели условий; - изучение явления электрокоррозии опорных конструкций при повышенной разности потенциалов «рельс-земля» тока частотой 50 Гц и установления нормативов обеспечения безопасных условий их работы; - изучение измерения величины пробивного напряжения искровых промежутков, служащих для защиты контактной сети, и предложение решений по его стабилизации. Положения, выносимые на защиту: - В результате проведенных исследований определена степень влияния массы поезда на элементы системы тягового электроснабжения переменного тока и, как следствие, на увеличение разности потенциалов «рельсземля». - Показана зависимость коррозионных процессов в фундаментах опорных конструкций на линиях переменного тока от разности потенциалов «рельс-земля». - Определены условия разгерметизации искровых промежутков и предложены решения для стабилизации их работы. - Предложен метод привязки групповых заземлений и заземлений ригельных опор на тяговую рельсовую сеть, исходя из условия минимизации Примечание: * здесь и в дальнейшем – разность потенциалов «рельс (сооружение) – земля» 5 токов утечки через тело опоры без снижения надежности работы системы. Научная новизна работы: - Доказано, что для подготовки линий к тяжеловесному движению необходимо проводить в дополнение к тяговому расчету выбранных участков расчёт разностей потенциалов «рельс-земля», на основании чего осуществлять предупредительные меры по защите элементов, гарантирующих безопасность движения. - По результатам проведенных исследований разработан подход для расчёта критических значений токов утечки для опор контактной сети на участках электротяги переменного тока. - Показана необходимость дифференцированного применения расчёта эффективного тока в отдельных точках сети переменного тока и использование этого подхода для подбора характеристик электрооборудования (в частности дроссель-трансформаторов). Методика проведения исследования: - экспериментальные исследования разности потенциалов «рельс – земля» при различных нормах массы поездов на линиях электротяги переменного тока ОАО «РЖД»; - лабораторное исследование электрокоррозионной опасности переменного тока для железобетонных опор контактной сети; - уточнение закономерности изменения пробивного напряжения ИП под воздействием климатических факторов. При решении теоретических задач по статистическому исследованию взаимосвязи переменных величин токов и потенциалов «рельс-земля» для поездов массами 9 и 12 тыс. т использовался программный комплекс MathCAD. Достоверность научных выводов. Научные положения, выводы и рекомендации не противоречат законам электротехники и электрохимии. Они обоснованы теоретически, сопоставлены с экспериментальными данными, подтвер- 6 ждены результатами натурных испытаний в условиях эксплуатации на действующих линиях российских железных дорог. Практическая значимость работы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования дали возможность: - оценить величины и распределение разности потенциалов рельсовой сети на линиях переменного тока при различных нормах массы поездов; - исследовать и эмпирическим путем обосновать явление электрокоррозии на линиях электротяги переменного тока при повышенной разности потенциалов «рельс-земля»; - установить закономерность изменения пробивного напряжения искровых промежутков под воздействием климатических факторов и предложить техническое решение по его стабилизации; - обосновать целесообразность модернизации схем подключения групповых заземлений опор контактной сети на линиях переменного тока, уточнить положения «Инструкции по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных дорогах ЦЭ 191». Внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации нормати- вы допустимых токов утечки с частотой 50 Гц для всего типоразмерного ряда эксплуатируемых железобетонных опор используются службой электрификации и электроснабжения Юго-Восточной железной дороги (Акт внедрения приложен к диссертации). Апробация работы. Основные научные результаты, полученные в ходе выполнения работы, доложены и обсуждены: - на научно-технической конференции « Перспективные задачи развития железнодорожного транспорта», Москва, ОАО «ВНИИЖТ», 2010 г; - на научно-технической конференции « Проблемы железнодорожного транспорта», Москва, ОАО «ВНИИЖТ», 2011 г; - в службе электрификации и электроснабжения Юго-Восточной железной дороги, Воронеж, 2010 г. 7 Публикации. Результаты выполненных исследований представлены в пяти статьях, две из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России. Три статьи опубликованы в трудах ОАО «ВНИИЖТ». Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов работы, библиографического списка из 80 наименований. Работа содержит 101 страницу машинописного текста содержательной части, 39 рисунков, 16 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы, необходимость изучения величин и распределения разности потенциалов рельсовой сети на линиях переменного тока при движении поездов повышенной массы и длины, а также важность изучения влияния разности потенциалов «рельсземля» на работу опорных конструкций и устройств защиты опор контактной сети от электрокоррозии на электрифицированных железных дорогах переменного тока. В первой главе проводится анализ работы защитных устройств опор контактной сети на электрифицированных железных дорогах. Рассматриваются влияния заземляющих устройств на работу рельсовых цепей автоблокировки. Основные исследования по разработке методов защиты опор контактной сети отражены в трудах ученых Котельникова А. В., Кудрявцева А.А., Селедцова Э.П., Каратаева В.П., Косарева А.Б., Подольского В.И., Кандаева В. Н., Гукова А.И., Багдасарова А.А., Гатиловой Г.И., Ивановой В.И. и др. Исследованию влияния заземляющих устройств на работу рельсовых цепей посвящены работы Котельникова А.В., Наумова А.В. и др. Основные работы, направленные на обеспечение высоких величин сопротивления опор контактной сети, проводились на участках электротяги постоянного тока. Они велись вследствие массовых отказов опор по условиям электрокоррозии, проявлявшей себя уже через несколько лет эксплуатации. Зоной 8 пристального внимания были места крепления консолей и кронштейнов к телу железобетонной опоры. Как известно первые железобетонные опоры изготавливались и устанавливались без изоляции, вследствие чего сопротивление утечке тягового тока, как правило, было низким и не обеспечивало должной защиты от электрокоррозии. Особенно явление электрокоррозии проявлялось на участках со значительными положительными потенциалами «рельс – земля». Переход на закладные крепежные детали и установка под них резиновых изолирующих деталей положение не изменили. Это объясняется тем, что детали изготавливались из неморозостойкой мягкой резины и через 5 – 7 лет эксплуатации либо разрушались под влиянием природных факторов, либо деформировались из-за высоких контактных напряжений под металлическими болтами (продавливались), вследствие чего, сопротивление изоляции уменьшалось. Применение изолирующих покрытий на подземной части опор даже при качественном их нанесении на бетон увеличивало сопротивление изоляции опор только на относительно короткий промежуток времени. Положение улучшилось, при применении в железобетонных опорах двойной изоляции закладных деталей, а в нормативные документы были внесены требования обязательного обеспечения сопротивления устанавливаемых опор на участках постоянного тока на уровне не менее 10 кОм, а на участках переменного тока - не менее 1,5 кОм. Однако, несмотря на принимаемые меры по повышению сопротивления опор и увеличению объемов замены старых неизолированных опор, основную часть эксплуатируемого парка опор (около 43%) составляют конструкции с низким сопротивлением. При этом из общего количества опор контактной сети с низким сопротивлением токам утечки 37% находится на участках постоянного тока, и 63% - на участках переменного тока. Наличие опор с низким сопротивлением, при котором может быть превышена допустимая плотность тока по электрокоррозии, потребовало установки в цепи заземления опор защитных устройств. Традиционно такие защитные 9 устройства разрабатывались для опор, устанавливаемых на участках постоянного тока, но при необходимости применялись и на участках переменного тока. В качестве таких защитных устройств при индивидуальном заземлении опор использовались, как правило, искровые промежутки (ИП), у которых основной характеристикой является пробивное напряжение. Первые ИП имели пробивное напряжение 800 В, которое определялось перед установкой в цепь заземления. Опыт эксплуатации таких ИП показал их низкую надежность. Уже через небольшой промежуток времени после начала их эксплуатации наблюдался массовый пробой. На отдельных участках при контрольных проверках обнаруживалось до 30% пробитых ИП. Обобщение эксплуатационных данных показало, что потенциал «рельс-земля» при коммутационных переключениях может достигать 1200 В. Этот факт явился причиной повышенного выхода из строя ИП, откалиброванных на пробивное напряжение 800 В. По этой причине для уменьшения отказов ИП пробивное напряжение было повышено до 1200 В, что привело к значительному сокращению числа пробитых ИП, но не исключило их полностью. В связи с этим в последние годы величина пробивного напряжения была увеличена до 1400 – 1600 В, однако и это не привело к ликвидации отказов ИП. Как показал опыт эксплуатации рассматриваемых защитных устройств, их отказы в значительной степени связаны с нестабильностью величины пробивного напряжения ИП и быстрого его снижения до 400 В и ниже. Вследствие этого в настоящей диссертационной работе был поставлен вопрос о причинах уменьшения пробивного напряжения и нахождения технических решений, которые обеспечили бы длительное сохранение его заданной величины. Как известно, на участках переменного тока с обращением грузовых поездов массой до 4,5 тыс. т в настоящее время используются ИП, разработанные для участков постоянного тока. Такое решение не вызывало особых проблем до определенного времени. При указанной норме массы поезда отсутствует надобность защиты опор контактной сети от электрокоррозии, что и отражено в действующих нормативно - технических документах по обслуживанию опор- 10 ного хозяйства электрифицированных железных дорог. На участках переменного тока до настоящего времени единственной проблемой являлось обеспечение требуемого сопротивления опор (не менее 100 Ом) необходимого для устойчивой работы рельсовых цепей автоблокировки. При небольшом сопротивлении опор этот вопрос решается путем установки в цепь заземления ИП с характеристиками для постоянного тока. Однако, проблема защиты опор на участках переменного тока существенно обостряется в связи с введением на ряде направлений железных дорог движения поездов повышенной массы и длины. Прежде всего, в этих случаях усугубляются вопросы обеспечения работы рельсовых цепей и системы автоблокировки. Как показывает опыт эксплуатации, на участках с низким сопротивлением опор (менее 100 Ом) при прохождении поездов повышенной массы даже ИП с пробивным напряжением 1400 – 1600 В не могут обеспечить устойчивой работы рельсовых цепей, в результате чего происходит пробой искровых промежутков и, как следствие, перекрытие сигналов автоблокировки. Кроме этого возникает вопрос оценки опасности электрокоррозионного воздействия на опоры в связи с выявленными фактами увеличения разносит потенциалов «рельс – земля» и возможностью, вследствие этого, появления токов утечки с арматуры подземной части опор, превышающих допустимую плотность токов утечки переменного тока – 10,0 мА/дм2, согласно ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии». Во второй главе представлено описание экспериментального участка с обращением поездов с весовыми нормами до 6000 т. Вследствие того, что теоретическое определение реальных разностей потенциалов «рельс – земля» с достоверной точностью затруднительно, в условиях эксплуатации было выполнено дополнительное исследование действительной разности потенциалов «рельс – земля» в различных условиях с нормами массы поездов до 6000 т. 11 Дополнительное экспериментальное исследование разности потенциалов было реализовано для выбранного двухпутного участка с раздельной схемой питания по схеме, представленной на рис.1. Измерения токов проводились в рельсовой нити, разности потенциалов «рельс-земля» между рельсом и удаленной землей (искусственный заземлитель (ИЗ) IV). Исследование полей разностей потенциалов вдоль рельсового пути осуществлялось с помощью вольтметров V – V4, измеряющих разность потенциалов между ИЗ I, II, III, IV. Рис. 1. Схема измерений Анализ графиков распределения тока и разности потенциалов (рис. 2) показывает, что повышение этой разности (кривая 1) и тока (кривая 2) до максимальной величины и последующее снижение происходят по экспоненциальному закону распределения. Максимальная величина разности потенциалов достигается в момент прохождения электровоза мимо точки измерения и составляет 120 В. За 8 минут до приближения поезда, что соответствует расстоянию в 6,1 км до точки измерения, происходит плавное увеличение разности потен- циалов и тока в рельсовой цепи. В момент отсутствия на фидерной зоне поездов величина тока в рельсовой цепи изменяется в пределах 5,5 – 5,9 А, а раз- 12 ность потенциалов «рельс-земля» составлял 0,8 – 1,1 В. Рис. 2. График распределения величин тока и потенциалов при прохождении точки измерения составом массой 6000 т Результаты исследования разностей потенциалов вдоль рельсового пути отображены на рис. 3. Рис. 3. График распределения разностей потенциалов полей при прохождении точки измерения составом массой 6000 т Анализ графика показывает, что величина разности потенциалов «балластная призма-земля» (кривая 1, рис. 3) не превышает 7 В, величина же разности потенциалов «тело насыпи-земля» на расстоянии 3 м от рельса (кривая 2, рис. 3) – 5 В, а на расстоянии 10 м (кривая 3, рис. 3) – 1 В. Комплексные измерения величин тока и разности потенциалов в этот же день по схеме, представленной на рис. 1, с прохождением состава массой в 6052 т, двигающегося в противоположном направлении по четному пути перегона, показали повышение разности потенциалов рельсов относительно земли до величины 4550 В. График изменения величин токов (кривая 2) и разности 13 потенциалов (кривая 1) отображен на рис. 4. В условиях повышенного содержании влаги, а так же в зимнем периоде экспериментальное исследование разности потенциалов рельса и околорельсового пространства, в точке подключения отсасывающих линий по упрощенной схеме (рис. 5). Измерения токов проводились в рельсовой нити. Результаты измерения величины разности потенциалов «рельс-земля» в условиях повышенного содержания влаги для поезда массой 6000 т показаны на рис. 6. Рис. 4. График распределения величин тока и разности потенциалов при прохождении поезда массой 6052 т по соседнему пути около точки измерения Распределение носит экспоненциальный характер. Максимальная величина разности потенциалов (кривая 1, рис. 6) достигла 50 В. 14 Рис. 5. Схема измерения Различие результатов о повышений и понижений фронтов разностей потенциалов стала возможным из-за особенности расположения точки измерения, которая находилась в начале подъема продольного профиля пути. Резкое увеличение тока (кривая 2, рис. 6) на 24 мин до 124 А обусловлено наличием междупутной рельсовой перемычки, что даёт большей части тока распределиться по ней на соседний путь в момент приближении поезда. Рис. 6. График распределения величины тока и разности потенциалов «рельс – земля» Экспериментальные исследования разности потенциалов рельсов и околорельсового пространства в период отрицательных температур для поезда массой 6000 т, графически показаны на рис. 7. 15 Рис. 7. График распределения величин тока и разности потенциалов в зимний период при прохождении точки измерения поезда массой 6000 т Эксперимент проходил при следующих погодных условиях: последняя декада ноября была дождливой, в декабре установились устойчивые отрицательные температуры воздуха, грунт и земляное полотно промерзли, высота снежного покрова незначительна. Измерения проводились по схеме, представленной на рис. 5. Влияния токов и разностей потенциалов четного пути на результаты измерений отсутствовало. Величина разности потенциалов в зимнее время (кривая 1, рис. 7) в среднем выше на 10-12% по сравнению с величиной разности потенциалов, полученной в летний период при одинаковом потреблении тягового тока (кривая 2, рис. 7). В летний период исследование разности потенциалов «рельс-земля» в точке подключения отсасывающих линий проводилось по нечетному пути при движении состава массой 6300 т. Эксперимент по упрощенной схеме измерения (см. рис. 5) показал, что увеличение разности потенциалов «рельс-земля» (рис. 8, кривая 2) до 13 В наблюдается на протяжении всего времени измерения. Данный результат стал возможным благодаря тому, что электровоз, преодолевая контролируемый подъем, находился постоянно в режиме тяги. Измерения в месте подключения 16 отсасывающих фидеров к четному пути другой тяговой подстанции показали аналогичные результаты. В процессе работ было выявлено, что в точке подключения фидера отсоса к дроссель-трансформаторам рельсовой сети величина тока при наличии 3-х электровозов, двигающихся с интервалом 10 мин по одному пути и отсутствию поездов по другому изменяется от 1,5 А до 230 А. При отсутствии поездов наблюдается стабильная величина разности потенциалов «рельс – земля» порядка 0,7 – 1 В. В моменты приближения ЭПС к точке измерения происходит увеличение разности потенциалов рельсов относительно земли не более чем на 15 В. Рис. 8. График распределения величины тока и потенциалов На основании натурных испытаний зафиксировано, что изменение величины разности потенциалов «рельс – земля» имеет экспоненциальный характер. Величина этой разности зависит от норм массы поездов, тяговых характеристик электровозов, величин переходных сопротивлений рельсов, профиля пути и ряда других факторов. Для поезда с нормами массы 6000 т и средней величиной подъема в 5 0/00, величина разности потенциалов в летний период достигает 130 В, а в зимний период – 145 В. В осеннее-весенний период это значение колеблется в пределах 10 – 50 В. В зоне подключения отсасываю- щих линий наблюдается стабильная величина разности потенциалов 0,5 - 0,7 В. 17 Увеличение её значения относительно стабильной величины происходит по мере приближения и удаления поезда точки измерения и не превышает 15 В. В третьей главе представлены результаты теоретического исследования разности потенциалов «рельс-земля» для поездов массой 9 и 12 тыс. т с оценкой коррозионной опасности токов утечки с рельсов для поддерживающих конструкций контактной сети на линиях электротяги переменного тока. Исходя из эмпирической зависимости изменения тока и разности потенциалов «рельс-земля» для поезда массой 6000 т по статистическим данным исследований взаимосвязи переменных, для поездов массой 9 и 12 тыс. т было проведено моделирование величин разностей потенциалов «рельс-земля» для выбранного участка. Определение эффективного тока в рельсовой сети, возможно, выполнить по методике «Расчет эффективных токов в элементах обратной тяговой рельсовой сети при электротяге постоянного и переменного тока», разработанной в ОАО «ВНИИЖТ». Однако применение её ограничено, а полученные результаты достоверны преимущественно для участков пути с горным профилем. Таким образом, потребовалось решить вопрос о целесообразности применении указанной методики для равнинных профилей и об экспериментальной проверке рассчитанных данных. Ограничение применения упомянутой методики связано с применением формулы для определения эквивалентного подъема , служащего для опре- деления величины эффективного тока в отдельных точках тяговой сети: 0 /00, (1) где - m, li, ii количество, длина (км) и подъем (0/00) элементов спрямленного профиля рассматриваемой межподстанционной зоны длиной L (км) соответственно. 18 Ограничение вызвано тем, что длина участков, имеющих уклон и равнинный профиль, не учитывается при расчете эквивалентного подъема, вследствие чего результаты расчета для всей межподстанционной зоны неточны. Так, для участков профиля с затяжными подъемами расчет приводит к заниженным результатам и необоснованному увеличению величины тока на участках с затяжными спусками. Для получения достоверной информации о величинах эффективных токов в различных точках межподстанционной зоны, имеющих затяжные подъемы, следует вышеупомянутую методику использовать дифференцировано. Рассчитывая эквивалентный подъем по вышеприведенной формуле для всей межподстанционной зоны и для отдельного участка 53 – 60 км, имеющего затяжной подъем протяженностью 7 км, получаем, что эквивалентный подъем всей межподстанционной зоны составляет = 1,86 0/00, и подъем выбранного участка расчет = 5,01 0/00. Таким образом, для выбранного участка, дает погрешность эквивалентного подъема 270%, т.е. значение эффективного тока в рельсах на участках подъема будет занижено, а на участках с затяжным уклоном его величина будет завышена. Проверка дифференцированного подхода показала, что расчетное значение эффективного тока в одной рельсовой нити для выбранного участка равно 112 А. Значения тока, полученные опытным путем соответствуют 100 А. При сравнении эффективного тока в рельсах с опытными значениями, отметим, что опытные значения тока отклоняются от рассчитанных по формуле (1) в пределах допустимой погрешности. Это говорит о правомерности применения данной методики для определения эффективных токов на отдельно выделенных участках пути. Значения величин эффективных токов в рельсах для выбранного участка при различных массах поезда сведены в таблицу 1. Таблица 1 Значения величин эффективных токов в рельсах для выбранного участка 19 Интервал 10 Интервал 12 Интервал 14 Интервал 16 Интервал 18 Интервал 20 мин мин Масса мин мин мин мин Величины эффективных токов в рельсах, А поезда, т 8 000 295 259 222 186 150 142 10 000 354 311 267 223 179 170 12 000 484 425 365 305 244 233 14 000 591 518 445 372 298 284 Величины токов в таблице 1 показывают, что по мере увеличения норм массы поездов происходит увеличение токовой нагрузки на элементы обратной тяговой сети, а также на опорные конструкции и элементы защиты устройств СЦБ от перенапряжения. С учетом значений эффективных токов для выбранного участка и кривых тока и разностей потенциалов, полученных на основании регрессионного анализа (рис. 9), определены величины разности потенциалов «рельс-земля» и околорельсового пространства для этих норм массы поездов. Так, например, при величине тока в 400 А (кривая 1, рис. 9) разности потенциалов «рельсземля» (кривая 2, рис. 9) составляет 220 В, величина разности потенциалов «балластная призма-земля» – 25 В (кривая 3, рис.9), разности потенциалов «тело насыпи-земля» на расстоянии 3 м от рельса - 20 В (кривая 4, рис. 9), разности потенциалов на расстоянии 10 м – 16 В (кривая 5, рис.9). 20 Рис. 9. Кривые тока и разности потенциалов В ходе исследований определены условные зоны возможной инициации электрокоррозионных процессов опор контактной сети в начальный период времени. Под условной зоной понимается конструктивный элемент опоры, который наиболее сильно подвергаются разрушению вследствие выноса металла. При отсутствии грунтовых вод и обычной влажности условная зона расположена на глубине 0.6 - 0.8 м от поверхности грунта. Наличие грунтовых вод смещает зону залегания на границу их уровня. В сухом грунте они находятся в узком поясе у поверхности земли. При раздельных опорах, где стойки установлены в стаканные фундаменты, зона залегания расположена непосредственно у основания стойки, заделанной в фундамент. Согласно ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии» критическая плотность тока промышленной частоты 50 Гц, вызывающая явление электрокоррозии, составляет 10,0 мА/дм2, что в 16 раз выше норм для постоянного тока. Наличие этой основополагающей нормы позволило определить нормативы критических значений токов утечки частотой 50 Гц для всего типоразмерного ряда опор контактной сети, эксплуатирующихся на участках электротяги переменного тока, при различных условиях эксплуатации. 21 При этом допустимый ток утечки: , мА, (2) где - Iкр.ст. - критическая плотность тока для стали Iкр.ст. = 10 мА/дм2 ; Sзон - площадь условной зоны стекания тока со всех струн опоры , дм2, где R – радиус струны, принимаем равным h – длина струны, м; (3) , м; D – диаметр струны, м; 200 – коэффициент перевода в дм; n – число струн в теле опоры. Значения практических токов утечки и минимально допустимых сопротивлений току утечки с опор представлены в таблице 2. Проведенные исследования подтвердили явление электрокоррозии при величинах тока и площади стекания дм2. Корро- зия стержня точечная, не сплошная, с глубиной не более 0,08 мм. Проведенный перерасчет явления электрокоррозии для действующих линий с нормами массы поездов в 6 и 12 тыс. т показал, что электрокоррозия опытных образцов может возникнуть на 8-м и 4-м годах эксплуатации соответственно. Степень электрокоррозии опытных образцов не превышает 3 – 4% площади сечения арматуры. Четвертая глава посвящена вопросам эффективности использования ИП как основного средства защиты опор контактной сети от токов утечки на линиях электротяги переменного тока. Исследованы результаты работы ИП при повышенных температурах, повышенном содержания влаги, отрицательных температурах. Определены проблемные зоны применения ИП, предложено техническое решение по стабилизации пробивного напряжения ИП. Таблица 2 Токи утечки и минимально допустимые сопротивления току утечки опор 22 Конструкция Опора контактной сети, эксплуатирующаяся во влажном грунте Опора контактной сети, эксплуатирующаяся при наличии грунтовых вод Опора контактной сети, эксплуатирующаяся в сухом грунте Опора контактной сети, эксплуатирующаяся в фундаменте Норма сопротивлеСредний ток ния, исключающая утечки с рельсов необходимость в землю через оценки по току конструкцию, утечки и потенциамА, не более лу «рель – земля», Ом, не менее Средний ток утечки с рельсов в землю через конструкцию на линиях постоянного тока, мА не более * 753 1500 45 1004 1500 60 200 1500 12 502 1500 30 Примечание: * данные приведены в целях сопоставления норм для электрифицированных участков железных дорог. В результате исследований установлено, что величина пробивного напряжения ИП нестабильна и напрямую зависит от климатического фактора. В период повышенного содержания влаги пробивное напряжение снижается, повышение температуры же стабилизирует его в пределах нормы. Так, номинальное пробивное напряжение ИП в 1200 В в период длительных дождей, весенне-осенний период для негерметичных образцов может снижаться до 200 В. Высокие летние температуры окружающего воздуха (летний период 2009 – 2010 г.г.) показали, что в эксплуатации могут находиться разгерметизированные искровые промежутки вследствие воздействия температурного фактора с 23 нестабильно высокой пробивной характеристикой. Определить заранее величину снижения пробивного напряжения в том или ином ИП невозможно. Исследования показали, что применение в спусках групповых заземлений опор двух ИП нежелательно, ввиду того, что один из них, имеющий наименьшее пробивное напряжение, срабатывает при более низких значениях разностей потенциалов, а второй ИП не выполняет возложенных на него защитные функции. Таким образом, применение в групповых спусках низкоомных опор двух ИП экономически невыгодно и нецелесообразно, так же как и применение двойного спуска групповых заземлений опор. Величины разности потенциалов «рельс – земля» в 200 – 250 В, образующиеся при реализации тяжеловесного дви- жения, являются критическими для негерметичного ИП, эксплуатация которого приходится на весеннее-осенний период. При таких величинах разностей потенциалов возможны пробои ИП и сбои в работе устройств СЦБ. Указанная проблема возникает вследствие недостатков существующей конструкции используемых ИП. Проведено экспериментальное исследование опытных образцов с целью стабилизации пробивной характеристики ИП путем изменения конструкции устройства. В ходе работы, установлено, что герметизация вкладышей ИП в полихлорвиниловой капсуле позволяет стабилизировать его характеристику в весеннее-осенний период. Проведенный анализ подключений защитных заземлений опор контактной сети показал, что в нормативно-технической документации для проектирования групповых заземлений и заземлений ригельных опор отсутствует обоснование по привязке последних к профилю пути. В настоящее время расположение спусков тросов групповых заземлений ригельных опор и индивидуальных спусков ригельных опор проводится на усмотрение проектировщиков. По этой причине в эксплуатации часто находятся групповые заземления и спуски на ригельных опорах, расположенные со стороны движения электровозов в режиме тяги на затяжных подъемах, в местах трогания и разгона. При таком расположении элементы заземления и поддерживающие конструкции 24 находятся под воздействием повышенных значений разностей потенциалов «рельс – земля». Показано, что для обеспечения безопасности движения поездов целесообразнее располагать вышеуказанные заземления с противоположной стороны, где происходит движение электровозов в режиме выбега, а увеличение разности потенциалов «рельс – земля» отсутствует. Результатом этого предложения наблюдается снижение электрокоррозионной опасность поддерживающих конструкций и нагрузки на защитные элементы опор. Проведенные опыты по исследованию термоэлектрического воздействия токов короткого замыкания при двухспусковой и односпусковой схемах заземления показали, что термоэлектрическая устойчивость схем не зависит от количества проводов в спусках заземления. В связи с указанными обстоятельствами возможен, переход от двухспускового группового заземления опор контактной сети (рис. 10, а) на односпусковой (рис. 10, б) без снижения эксплуатационной надежности узла в целом. 25 Рис. 10. Переход от схемы двухспускового подключения троса группового заземления на один в случае низкоомной группы опор В пятой главе рассматривается вопрос об экономической эффективности предлагаемых технических решений модернизации групповых заземлений. Изменение схемы подключения групповых заземлений опор позволяет высвободить материл на сумму 1258 руб. с одной низкоомной группы. Закупка материала для монтажа односпусковой схемы заземления обходится дешевле двухспусковой на 28%. Модернизация узла заземления групповых опор контактной сети на сети железных дорог позволит единовременно сэкономить денежные средства в размере 67 млн. рублей. Основные результаты работы 1) Исследованы основные качественные и количественные характеристики влияния обращения поездов повышенной массы и длины на переменном токе на формирование потенциальных полей вдоль рельсового пути. Определены величины разности потенциалов «рельс – земля» контрольного участка для поездов массой 9 – 12 тыс. т, которые могут достигать значений 250 - 300 В. 2) Показана возможность развития электрокоррозии арматуры железобетонной опоры контактной сети на участках электротяги переменного тока с обращением поездов повышенной массы и длины. Установлено, что повышение разности потенциалов «рельс – земля» до 250 В и наличие опор контактной сети с сопротивлением менее 1500 Ом вызывают электрокоррозионную опасность. 3) Установлены допустимые нормы утечки тяговых токов частотой 50 Гц по условиям электрокоррозии арматуры опор для всего типоразмерного ряда эксплуатируемых опор. 4) Установлено, что в нормативно-технической документации при проектировании групповых заземлений и заземлений ригельных опор отсутствуют достаточные обоснования по привязке последних к профилю пу- 26 ти. Доказана необходимость подключения заземления опор на тяговую рельсовую сеть для минимизации токов утечки через тело опоры без снижения надежности работы системы в целом. 5) Предложено, апробировано и экономически обосновано техническое решение по переходу от двухспусковых групповых заземлений опор контактной сети к односпусковым, позволяющее уменьшить расходы на их сооружение и снизить трудозатраты по их обслуживанию. 6) Отмечено негативное влияние климатических факторов на работу устройств защиты опор контактной сети. Рекомендовано решение по стабилизации пробивного напряжения искровых промежутков, позволяющее существенно снизить их повреждаемость (пробои) в процессе эксплуатации и затраты на их обслуживание. Основные положения диссертации отражены в следующих работах: Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России: 1. Остапенко А.Н. Экспериментальное исследование потенциалов рельсовой сети на участках переменного тока при развертывании полигонов тяжеловесного движения на железных дорогах России // Вестник ВНИИЖТ. 2009. № 6. С. 40 – 44. 2. Остапенко А.Н. Защита опор контактной сети на линиях переменного тока при тяжеловесном движении. // Транспорт Урала. 2011. №4 (31). С. 96 – 101. Публикации в других изданиях: 3. Остапенко А.Н. Технические решения по заземлению опор контактной сети на участках переменного тока при развертывании полигонов тяжеловесного движения на сети железных дорог России // Перспективные задачи развития железнодорожного транспорта: сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ» / Под редакцией Г.В. Гогричиани. – М.: Интекст, 2010. С. 160 – 165. 27 4. Остапенко А.Н. Оценка коррозионной опасности опор контактной сети на участках переменного тока при развертывании полигонов тяжеловесного движения на сети железных дорог России // Перспективные задачи развития железнодорожного транспорта: сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ» / Под редакцией Г.В. Гогричиани. – М.: Интекст, 2010. С. 166 – 177. 5. Остапенко А.Н. Применение методики выбора элементов обратной тяговой сети для равнинных участков пути // Проблемы железнодорожного транспорта: сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ» / Под редакцией Г.В. Гогричиани. – М.: Интекст, 2011. С. 148 – 153.