Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроснабжение железных дорог. Учебное пособие
.pdf
ности тяговых подстанций как постоянного тока, так и переменного тока может быть достигнуто лишь пересмотром стандарта
номинальных мощностей выпрямителей и трансформаторов, выпущенных заводами-изготовителями для отечественных электрифицированных железных дорог.
В целях экономии электроэнергии на тяговых подстанциях
должны быть задействованы системы автоматического включения и отключения резерва АВОР и АВР.
Вопросы экономии электроэнергии решаются путем перевода
выпрямительных агрегатов с шестипульсовых схем выпрямления
на двенадцатипульсовую схему, преимущества которой заключаются в следующем:
1. Более пологая внешняя характеристика агрегата и, следовательно, более стабильное напряжение на шинах тяговой подстанции, и как отсутствие во многих случаях необходимости его регулирования.
2. Снижение потребления реактивной мощности.
3. Улучшение формы кривой выпрямленного напряжения, снижение электромагнитного влияния на смежные устройства и, следовательно, возможность применения на тяговых подстанциях экономичных однозвенных апериодических или резонансно-апериодических сглаживающих фильтров.
4. Улучшение формы кривой потребляемого выпрямителем
тока и улучшение показателей качества электрической энергии
в системе внешнего электроснабжения и на шинах 10 кВ тяговой
подстанции.
Особое внимание необходимо уделить расширению сферы рекуперативного торможения на полигоне электрических железных
дорог. В связи с внедрением двенадцатипульсовых агрегатов необходим серийный выпуск универсальных двенадцатипульсовых
выпрямительно-инверторных преобразователей для приема избыточной энергии рекуперации.
Выравнивание напряжения на шинах смежных подстанций
за счет его регулирования позволяет уменьшить потери электрической энергии от уравнительных токов на межподстанционных зонах, снизить транзит мощности по тяговой сети переменного тока.
Наиболее грузонапряженные участки железных дорог РФ оказались электрифицированными на постоянном токе, поскольку переводились на электрическую тягу в годы, когда системы переменного тока еще не было. Вместе с тем в связи с ростом размеров движения и весовых норм поездов недостатки системы электрической
331
тяги постоянного тока напряжением контактной сети 3 кВ выявлялись со все большей очевидностью. В настоящее время актуален вопрос о переводе некоторых участков электрифицированных железных дорог с постоянного тока на переменный. Следует
отметить, что в 1996 г. впервые в РФ на Восточно-Сибирской железной дороге был осуществлен перевод участка постоянного тока
«Зима–Слюдянка», протяженностью 434 км, на переменный ток.
Технико-экономические показатели этого перевода:
1) уменьшение в 2,5 раза числа тяговых подстанций (14 тяго-
вых подстанций переменного тока вместо 35 постоянного тока);
2) ликвидация двух станций стыкования;
3) снижение потерь электрической энергии в тяговой сети;
4) снижение эксплуатационных расходов;
5) уменьшение локомотивного парка при тех же размерах дви-
жения;
6) снижение коррозии блуждающими токами опор контактной
сети и всех металлических сооружений.
Высокая технико-экономическая эффективность перевода непротяженных участков (вставок) постоянного тока на переменный
подтверждает целесообразность продолжения таких работ на других железных дорогах РФ.
Наиболее эффективным методом снижения потерь электроэнергии в тяговой части системы электроснабжения является увеличение напряжения в тяговой сети постоянного тока до 6, 12,
24 кВ; переменного тока до 50 кВ.
Среднее значение технологических потерь электроэнергии
на тягу поездов на участках постоянного тока в 2012 г. составило
10,4 %, а на участках переменного тока — 6 %. При этом разница
в показаниях счетчиков тяговых подстанций и электроподвижного состава (условные потери электроэнергии) в 2012 г. составила
по сети железных дорог 8,4 %. На полигоне переменного тока для
различных железных она изменяется от 1,3 до 9,7 %, а на полигоне
постоянного тока от 11,3 до 20,2 %. Причины значительной разницы условных и технологических потерь электроэнергии:
1) неточность учета электроэнергии в системе тягового элек-
троснабжения;
2) неточность учета электроэнергии на электроподвижном со-
ставе и электросекциях;
3) неточность учета расхода электроэнергии нетяговыми потребителями по системе электроснабжения «два провода — рельс»,
питающейся от шин 27,5 кВ тяговых подстанций;
332
4) отсутствие учета электроэнергии, поступающей от системы 25 кВ, на технологические нужды электроподвижного состава при его ремонте;
5) отсутствие учета расхода электроэнергии на собственные нужды электроподвижного состава и тяговых подстанций;
6) отсутствие или неточность учета расхода электроэнергии
на отопление пассажирских вагонов при движении поезда и в отстое.
Выполнение задачи снижения условных и технологических
потерь электроэнергии возможно при создании полнофункциональной автоматизированной системы управления электроснабжением электрифицированных линий «РЖД–АСУ–Э» на базе
использования современных информационных технологий, создания центров энергодиспетчерского контроля и управления в составе единого дорожного центра управления (ЕДЦУ) железных
дорог, разработке и внедрении новых технологических решений,
модернизации и обновлении устройств электроснабжения в первую очередь участков с высоким потоком грузового и пассажирского движения.
333
Гла ва 16
МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ ПОДЗЕМНЫХ
СООРУЖЕНИЙ ОТ ЭЛЕКТРОКОРРОЗИИ
16.1. Понятие о блуждающих токах и их источниках
Грунт, являясь типичной электролитической средой, содержащей различные химические соединения в твердом или растворенном виде, представляет собой объемный электрический проводник. При возникновении разности потенциалов между любыми
точками грунта, вызванной каким-либо источником тока, между
ними будет протекать электрический ток. Этот ток в земле протекает, как правило, не по кратчайшему геометрическому расстоянию между названными точками, а сложным образом охватывает
толщу грунта, ответвляясь в большей степени в слои, обладающие
наименьшим электрическим сопротивлением [34]. Подчиняясь такому принципу, ток, как бы «блуждая», находит пути с наибольшей проводимостью, что послужило основанием к применению
для него не совсем обычного для электротехники термина «блуждающий ток». Чем более электропроводен грунт, тем меньше район распространения блуждающих токов в сторону от его источников и, наоборот, в грунтах со слабыми электропроводными свойствами зона их распространения значительно расширяется.
Источников токов в земле много, эти токи отличаются происхождением, временем протекания. В земле протекают так называемые теллурические токи, которые своим происхождением обязаны
334
физическим явлениям в ионосфере [34]. Другим природным источником тока в земле является атмосферное электричество, разряд
его в виде молнии создает ток в земле до нескольких десятков килоампер весьма кратковременного действия. Без постороннего источника возникают токи в земле между разнородными металлами,
контактирующими с грунтом разного химического свойства, способствующие появлению токов гальванокоррозионных пар на подземных металлических сооружениях. Появились линии электропередачи сверхвысокого напряжения постоянного тока и система питания, использующие постоянно землю в качестве рабочего
проводника. Часто поле токов в земле создается специально для
подавления коррозионных процессов на металлических подземных сооружениях по методу катодной поляризации (см. 16.4). Это
поле имеет сравнительно локальную зону распространения (сотни
метров-километры), а значение тока достигает десятков, а иногда
сотен ампер. В городах таких станций может быть много, например, в Москве суммарный ток катодной защиты имеет тот же порядок, что и суммарный ток утечки с рельсов электрифицированного транспорта. Хотя последний считается одним из самых мощных источников блуждающих токов [34].
Особенностью электрического рельсового транспорта (электрифицированные железные дороги, электрифицированный промышленный, карьерный, рудничный транспорт, метрополитен, трамвай) является использование рельсовой сети в качестве обратного провода системы электроснабжения поездов. Использование
ходовых рельсов для возврата тяговых токов на подстанцию оказалось выгодным и удобным, так как экономятся цветные металлы и электроэнергия, уменьшается падение напряжения. Рельсы,
лежащие на шпалах и балласте, неидеально изолированы от земли, поэтому часть тягового тока на подстанцию приходит по земле как параллельному рельсам проводнику. Поднять сопротивление изоляции рельсов выше определенного уровня практически
невозможно и поэтому ответвление части тягового тока с рельсов
в землю следует признать неизбежным для электрифицированного рельсового транспорта [34].
Ток, стекающий с рельсов или соединенных с ними конструкцией, имеющих связь с землей, называют током утечки. Токи утечки, суммируясь в земле, создают поле блуждающих токов электрифицированного транспорта.
Из всех негативных последствий, связанных с протеканием
токов в земле,(например, повреждение кабелей токами молнии,
335
отказы в системе связи и автоматики, использующих землю в качестве одного из проводников, и т. п.), наиболее сильным отрицательным проявлением блуждающих токов является электрокоррозионное разрушение подземных сооружений и конструкций.
Наличие блуждающих токов в земле не всегда является только
отрицательным фактором.
Сопротивление обратного провода за счет шунтировки рельсов землей уменьшается, а значит, снижаются потери напряжения и потери электрической энергии в рельсовой сети. Как будет
указано позже (см. 16.4), применение катодной защиты, создающее «нужным» образом ориентированное поле постоянных токов
в земле создает не разрушающее, а наоборот, защитное воздействие на подземные сооружения. Поэтому прекращение утечки
тяговых токов может ставить сложным защиту подземных сооружений от почвенной коррозии. Расходы на такую защиту в агрессивных грунтах будут явно больше, чем на защиту от блуждающих
токов [34]. Вероятно, для каждого конкретного случая существует
оптимальный уровень блуждающих токов в земле, снижение которого может привести не к удешевлению, а к удорожанию защиты подземных сооружений.
16.2. Влияние блуждающих токов
на подземные сооружения
В четвертой главе рассмотрено распределение потенциала рельсы-земля, тока в рельсах и земле для различных схем питания контактной сети и нагрузки электрифицированного участка.
Картина протекания блуждающих токов электрических железных дорог в земле и подземных сооружениях может быть получена
непосредственно из данных о распределении потенциалов и токов
в рельсах. Напомним, однако, о том, что при выводе законов распределения потенциалов и токов в рельсах было принято, что сопротивление земли равно нулю, что позволило, не внося в решение задачи сколько-нибудь заметной погрешности, значительно
упростить все выкладки и полученные формулы. Но при переходе к рассмотрению распределения потенциалов и токов в подземных сооружениях это допущение вообще исключает возможность
решения задачи [17].
Действительно, если считать, что сопротивление земли равно нулю, а сопротивление подземного сооружения и сопротивле-
336
ние переходного слоя от земли к подземному сооружению имеют
конечное значение, то, конечно, ток по подземному сооружению
не потечет и никакой разности потенциалов между землей и подземными сооружениями не будет [17].
Поэтому обычно для упрощения рассматриваемую задачу решают в два приема: распределение потенциалов и тока в рельсах
устанавливают исходя из принятой предпосылки (сопротивление
земли равно нулю), а затем исходя из полученной (как бы заданной) картины распределения потенциалов и тока в рельсах, решают задачу о распределении потенциалов и токов в земле и подземных сооружениях. На этом этапе решения задачи, конечно,
принимают, что сопротивление земли имеет конечное значение,
а полученные выше значения потенциалов считают относящимися к бесконечно удаленной точке земли. В дальнейшем ограничимся рассмотрением только физической картины распределения потенциалов и токов в земле и подземных сооружениях.
Некоторым оправданием этого является то, что при достаточной
сложности выкладок конечные решения не могут дать исчерпывающей точности, так как зависят от ряда исходных данных (переходных сопротивлений, сопротивления земли и т. п.), в свою
очередь изменяющихся по времени — в зависимости от температуры, влажности, а также по длине — в зависимости от профиля
местности, состава грунтов и т. п.
Рассмотрим характер распределения потенциалов и тока в подземном сооружении, когда на участке неограниченной длины расположена одна подстанция и одна нагрузка.
Будем считать, что контактная сеть имеет положительную полярность, рельсы — отрицательную; вдоль линии железной дороги лежит подземное сооружение (трубопровод или кабель, один
или несколько, см рис. 16.1). Для случая (см. рис. 16.1, а) потенциал рельсов jрx и ток в рельсах Iрx показаны на рис. 16.1, б
и 16.1, в. Ток в земле Iзx может быть получен как разность между током нагрузки и током в рельсах (рис. 16.1, г). Если вычесть
из потенциала рельсов jрx падение напряжения в переходном сопротивлении рельсы-земля Du
, то получим диаграмму потен-
рзx
циала верхнего слоя земли jзx относительно бесконечно удаленной точки земли (пунктир на рис. 16.1, б); в точке расположения
подстанции и нагрузки линия этого потенциала не имеет излома, так как здесь нет сосредоточенной нагрузки, как это имеет
место на рельсах.
337
а
l
I
P
0
j
р
б
в
x
x
j
з
x
10
0
з
j
I
р
x
1
D
u
рз
x
K
2
j
р
x
K
1
x
1
з
j
x
I
0
I
= I
– I
з
x
*i
р
x
г
I
з
x
x
= y(y)
з
l
x
+
j
x
K
l
0
д
j
з
10
–
y
j
= f(y)
з
0
j
0
y
j
з
y
0
0
·
D
u
зк
з
yx
j
x
к
j
з1l
y
j
j
l
x
з
y
l
x
е
ж
D
u
; I
зк
x
зк
·
+
0
I
к
x
0
x
–
x
x
Рис. 16.1. Кривые распределения потенциалов и токов в рельсах, земле
и подземных сооружениях при одной подстанции и одной нагрузке
338
На рис. 16.1, д пунктиром показан характер изменения потенциалов земли в ее поперечных сечениях, проходящих через подстанцию [j
= f(y)] и нагрузку [jзl = y(y)]. На расстоянии y, где
з0
расположен кабель K1 (или трубопровод), этот потенциал получает значение j
расстоянии j
и j
зy0
зyx
, и распределение потенциала земли на этом
зyl
имеет характер, показанный сплошной линией.
Если из ординат кривой вычесть потери напряжения в переходном слое земля — кабель Du
, то получим диаграмму распреде-
зкx
ления потенциалов оболочки кабеля (относительно бесконечно
удаленной земли) j
Обратная величина Du
кой кабеля и прилегающим слоем земли Du
по длине кабеля (показано на рис. 16.1, д).
к1x
, т. е. разность потенциалов между оболоч-
зкx
= –Du
кзx
показана
зкx
на рис. 16.1, е и соответствующая диаграмма тока Iкx в подземном
сооружении — на рис. 16.1, ж. Из рисунков видно, что зона входа тока в оболочку кабеля (катодная зона) — около подстанции.
Диаграмма распределения потенциала или разности потенциалов
одновременно в другом масштабе является и диаграммой плотности утечки тока [17].
Дороги постоянного тока могут работать и при обратной полярности проводов и рельсов (минус в контактной сети). В начальный период электрификации были линии той и иной полярности, но в последующем была повсеместно принята положительная полярность. Из диаграмм, приведенных на рис. 16.1,
видно, что наибольшая удельная величина ответвляющихся или
возвращающихся токов (плотность токов утечки) будет иметь место в точках максимального потенциала рельсов или подземных
сооружений. Величины будут меньше для точек, расположенных ближе к нулевой точке, в которой они будут равны нулю.
Общая величина блуждающих токов или токов в подземных сооружениях будет иметь максимальное значение в сечении, проходящем через точку с нулевым потенциалом, и будет постепенно уменьшаться при переходе к точкам, расположенным ближе
к концам участка. Полезно отметить, что анодные зоны подземных сооружений расположены против катодных зон рельсового
пути и наоборот.
С точки зрения коррозии сооружений приходится считаться
в основном с зонами входа и выхода блуждающих токов, называемых соответственно катодными и анодными зонами. В результате непосредственного действия блуждающих токов коррозия
происходит в анодных зонах, т. е. в местах выхода из сооружения.
Однако при защите подземных сооружений от блуждающих то-
339
ков приходится считаться и с катодными зонами, в которых при
щелочных грунтах под влиянием блуждающих токов концентрируются едкие щелочи, разрушающие сооружения в результате химических процессов. В зонах нулевого потенциала, нейтральных
с точки зрения утечки тока, токи, протекающие по самому сооружению, достигают наибольшей величины и могут представлять опасность по своему тепловому действию и по коррозии
в местах расположения стыков, муфт и т. п. Ко всему сказанному относительно опасности различных зон блуждающих токов
для подземных сооружений необходимо добавить, что практически на электрических дорогах размеры отдельных зон, а часто
и их места все время изменяются. В точке приложения нагрузки всегда образуется зона ответвления или притекания (в зависимости от полярности контактной сети) блуждающих токов.
Таким образом, одна из зон перемещается вдоль трассы линии.
Для полярности, принятой в РФ, на подземном сооружении катодная зона располагается в месте нахождения нагрузки, а анодная — около подстанции.
Величины блуждающих токов, так же как и распределение их
зон, зависят от целого ряда причин: состояния рельсовой сети,
железнодорожного полотна, проводимости грунта, расположения и характера подземных сооружений, графика движения поездов и пр. Теоретические расчеты, в которых чрезвычайно сложно учесть все эти факторы, правильнее всего производить только
для предварительного выяснения общей картины блуждающих
токов. Окончательное заключение по защитным мероприятиям необходимо делать на основании произведенных на линии
измерений. Согласно правилам защиты подземных металлических сооружений [35, 36] должны быть приняты специальные
меры защиты сооружений, расположенных в анодных и знакопеременных зонах.
Весьма существенным обстоятельством, определяющим долговечность сооружения, является неравномерность переходного сопротивления (подземное сооружение — земля) и отсюда — неравномерность утечки. Именно поэтому разрушение подземных сооружений иногда происходит не равномерно по всей поверхности,
а в результате появления отдельных очагов. Утечка в отдельных местах может в десятки раз превосходить утечку, которая имела бы место при равномерном распределении переходного сопротивления.
Металл подземного сооружения в анодной зоне корродирует,
уменьшаясь в массе. Потеря металла в процессе электрокоррозии
340
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]