автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электротехнические комплексы для тяговых и трансформаторных подстанций железных дорог

На правах рукописи

Дарчиев Сергей Харитонович

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ТЯГОВЫХ И ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ (ТЕОРИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВНЕДРЕНИЕ)

Специальность 05 09 03 Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2007

003057606

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ)

Научный консультант

доктор технических наук, профессор БАДЕР Михаил Петрович Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор МАМОШИН Ревмир Романович доктор технических наук, профессор ЖАРКОВ Юрий Иванович доктор технических наук, профессор ДЫНЬКИН Борис Евгеньевич

Ведущая организация Государственное унитарное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ)

диссертационного совета Д 218 005 02 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу 127994, Москва, ул Образцова, 15, ауд 4210 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета

Защита диссертации состоится •/6 MaSL

часов на заседании

Автореферат разослан -_2007

года

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

$jaco&r

С П Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Основным направлением научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте является электрификация железных дорог, позволяющая комплексно решать вопросы повышения эффективности работы транспорта и электроснабжения прилегающих районов На долю электрифицированных линий, протяженность которых составляет около 50% общей протяженности отечественных железных дорог, приходится около 84% перевозок, выполняемых железнодорожным транспортом

Наряду с устройствами электроснабжения электрифицированных железных дорог значительное место в комплексе железнодорожного электроснабжения занимают системы и устройства электроснабжения нетяговых потребителей на неэлектрифицированных участках, масштабы сооружения которых возросли в связи с освоением северных районов страны При этом необходимость электропитания железнодорожных нетяговых потребителей, а также поселков на станциях и разъездах приводит к усложнению схемы питания и росту протяженности гальванически соединенных линий передачи, что вызывает трудности в обеспечении надежного электроснабжения, влияющего на бесперебойную работу транспортного конвейера При этом также сильно усложняется решение вопроса обеспечения электробезопасности обслуживания устройств электроснабжения

Наряду с сооружением электроустановок на вновь электрифицируемых участках железных дорог в последнее десятилетие проводятся масштабные работы по реконструкции тяговых подстанций, так как значительная часть из находящихся в эксплуатации 1388 подстанций, из которых 447 переменного тока, либо выработала свой срок, либо эксплуатируется с морально устаревшим электрооборудованием Исключительно быстрыми темпами развивались системы и устройства железнодорожной электроэнергетики К настоящему времени в эксплуатации находится около 49000 трансформаторных подстанций и 124000 км высоковольтных линий нетягового электроснабжения При этом в северной зоне получили применение системы и устройства напряжением 35 кВ Как показал опыт строительства Байкало - Амурской железнодорожной магистрали, сооружение электроустановок в условиях многолетнемерзлых грунтов требует значительных трудовых и денежных затрат В частности, сметная стоимость трансформаторной подстанции сравнительно небольшой мощности ТП-2x6300/35/10/0,4 кВ, предназначенной для питания железнодорожных нетяго-

вых потребителей, составляет 6,263 млн рублей в ценах 2002 г При этом срок ввода в действие подстанции составляют не менее одного года Реализация такой подстанции в комплектно-блочном исполнении, как показано в диссертационной работе, позволяет, только за счет снижения стоимости подстанции, получить экономию в 1,5 млн рублей и сократить срок ввода в действие в 7 — 9 раз К этому следует добавить, что все другие экономические эффекты (снижение затрат на социальную инфраструктуру для строительно-монтажного и эксплуатационного персонала, обеспечение экологической чистоты и др ) также в пользу комплектно-блочных подстанций

Проблемам создания и развития более совершенных систем и устройств электроснабжения железнодорожного транспорта, методам их проектирования посвящено большое количество работ отечественных ученых Бадера М П , Белова В В , Бочева А С, Буркова А Т, Бородулина Б М, Власова С П , Германа Л А , Добровольскиса Т П , Дынькина Б Е , Жаркова Ю И , Карякина Р Н , Косарева Б И , Котельникова А В , Косарева А Б , Марквардта К Г , Мамошина Р Р , Мизинцева А В , Овласкжа В Я , Пупынина В Н , Сухопрудского Н Д, Фигурнова Е П , Чернова Ю А и др

Однако многие задачи в этой области не были решены не были созданы экономичные и надежные электротехнические комплексы полной заводской готовности для комплектно-блочных тяговых (КБТП) и трансформаторных подстанций (КТПБ), в связи со строительством Байкало-Амурской магистрали и освоением северной строительной зоны стала особенно актуальна проблема электробезопасности обслуживания линий нетягового электроснабжения на не-электрифицированных участках, сооружаемых в теле земляного полотна, и трансформаторных подстанций, сооружаемых на значительном удалении от рельсового пути

Объектом исследования в диссертации является комплекс устройств системы тягового электроснабжения, в первую очередь тяговые подстанции, а также комплекс железнодорожных нетяговых потребителей на неэлектрифици-рованных участках, в первую очередь трансформаторные подстанции и линии продольного электроснабжения, сооружаемые в северной строительной зоне Развитие и широкое внедрение прогрессивных систем тягового электроснабжения, методов обслуживания тяговых и трансформаторных подстанций пришло в противоречие со способами их сооружения и монтажа В электроснабжении нетяговых потребителей требуется разработка качественно новых систем и тех-

нических решений, позволяющих повысить надежность функционирования линий электропередачи В силу этого предмет исследования - совместное изучение технического и технологического аспектов развития тяговых и трансформаторных подстанций, а также систем и устройств электроснабжения нетяговых потребителей с учетом функционирования их в условиях эксплуатации

Решение проблемы совершенствования методов сооружения и монтажа устройств железнодорожного электроснабжения связано с техническим перевооружением устройств электроснабжения, а также с разработкой и внедрением более совершенных технологий, обеспечивающих высокое качество работ и повышение производительности труда на строительных площадках

Основным направлением технического прогресса в области монтажа устройств электроснабжения является повышение заводской готовности узлов и элементов электроустановок (тяговых и трансформаторных подстанций) с производством большинства работ по их изготовлению на заводах, чтобы на строительных площадках выполнять только установку и монтаж укрупненных узлов

Разработка новых технических и технологических решений для тяговых и трансформаторных подстанций и линий нетягового электроснабжения, включая заземляющие устройства электроустановок, на неэлектрифицированных участках железной дороги особенно актуальна при производстве работ в северной строительной зоне Объясняется это трудностями при строительстве и монтаже электроустановок, обусловленными сложными геологическими и суровыми климатическими условиями, а также значительным рассредоточением большого числа средних и мелких устройств железнодорожного электроснабжения, расположенных не только вблизи железной дороги, но и на значительном удалении от нее

Базой исследований являлись электрифицированные железные дороги СССР и Российской Федерации

Актуальность проблемы подтверждается также включением ее в комплексные государственные программы 0 54 10 и 0 55 10 и соответствует направлению работ кафедры "Энергоснабжение электрических железных дорог" МИИТа

Цель работы Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых, более надежных и удобных в эксплуатации, электротехнических комплексов полной заводской готовности для тяговых и трансформатор-

ных подстанций, а также устройств нетягового электроснабжения, сооружаемых в северной строительной зоне

Цель практической части диссертации заключается в проведении широкомасштабных экспериментальных исследований, а также проведение натурных экспериментов на действующих электроустановках железных дорог, физического и математического моделирования на ЭВМ, направленных на разработку обоснованных технических решений

Методика исследований Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение научно-технической литературы, теоретические и экспериментальные исследования При этом широко использовались методы теории электрических цепей, теории вероятностей, пакеты компьютерной математики, реализуемых в MathCAD и Maple, пакеты схемотехнического моделирования, методы матричного исчисления и численных методов решения дифференциальных уравнений

Научная новизна В диссертации комплексно решен ряд теоретических задач, связанных с разработкой новых электротехнических комплексов полной заводской готовности для создания комплектно-блочных тяговых подстанций систем постоянного и переменного тока и трансформаторных подстанций для питания нетяговых потребителей, а также заземляющих устройств железнодорожных электроустановок, сооружаемых в северной строительной зоне (на примере БАМ)

Научная новизна заключается в следующем

• разработаны новые технические решения по электротехническим комплексам полной заводской готовности для комплектно-блочных тяговых подстанций постоянного и переменного тока, а также трансформаторных подстанций 35 и 10 кВ (в том числе для северных районов),

• разработаны варианты технологии монтажа электротехнических комплексов комплектно-блочных тяговых и трансформаторных подстанций на строительной площадке, учитывающие различия в выполнении подстанций, а также возможности строительных и монтажных организаций,

• разработана и исследована новая схема тяговой подстанции переменного тока с упрощенным распределительным устройством РУ-27,5 кВ,

• обоснована целесообразность и возможность применения однополюсных выключателей на трехфазных присоединениях ЗРУ-27,5 кВ Это позволило повысить уровень унификации тяговой подстанции переменного тока,

• разработано и исследовано новое разрядное устройство шунтирования реактора подстанции постоянного тока, существенно облегчающее работу быстродействующих выключателей и повышающее надежность РУ-3,3 кВ,

• впервые исследованы методы настройки быстродействующих выключателей на токи уставки и показаны пути повышения точности настройки, а также разработано и исследовано новое устройство для точной настройки выключателей Это позволило повысить надежность тягового электроснабжения постоянного тока,

• проведены сравнительные исследования характеристик лучших быстродействующих выключателей (отечественного 2хВАБ-49-3200/30-Л производства «УЭТМ» и GE Rapid 4207, 2x4, Германия) с использованием компьютерной математики (Maple 9,5) и разработаны рекомендации по применению рассмотренных выключателей,

• разработаны алгоритм и программа расчета установившегося режима и переходного процесса при однофазном замыкании на землю в сети нетягового электроснабжения (СНЭ) с изолированной нейтралью

• впервые проведены комплексные экспериментальные исследования на трассе БАМ (совместно с ОмИИТом) сопротивлений растеканию искусственных и комбинированных (искусственных в сочетании с естественными) заземляющих устройств, фундаментов опор ВЛ 10+35 кВ, установленных в теле земляного полотна, а также на территориях мерзлотных станций ЦНИИСа, свай и рельсового пути в периоды наибольшего оттаивания и набольшего промерзания грунтов,

• разработаны методы проектирования заземляющих устройств электроустановок, сооружаемых в условиях вечной мерзлоты вблизи железной дороги, с использованием рельсового пути и других естественных заземлителей, а также при значительном удалении электроустановок от рельсового пути

Практическая ценность Практическая ценность разработок, выполненных в диссертационной работе, подтверждается тем, что

а) создано Головное предприятие ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» по проектированию, конструированию, изготовлению и внедрению комплектно-блочных тяговых и трансформаторных подстанций и другого современного электрооборудования для электрических железных дорог и нетяговых потребителей и метрополитенов, при этом в качестве важной составляющей научно-

технической базы для создания предприятия были использованы разработки соискателя в части комплектно-блочных подстанций,

б) результаты исследований включены в ВЕДОМСТВЕННЫЕ НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

1) ВСН 203-85 «Специальные нормы и технические условия на проектирование и строительство железных дорог на полуострове Ямал», утвержденные Минтрансстроем и МПС (ДСП) М ЦНИИС.1986 -27с,

2) ВСН 61-89 «Изыскание, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты», утвержденные Минтрансстроем и МПС М ЦНИИСД990 -207с,

3) ВСН 12-92 «Нормы по производству и приемке строительных и монтажных работ при электрификации железных дорог (устройства электроснабжения), утвержденные Государственной корпорацией «Трансстрой» и МПС М ПКТИТС, 1992 -185с,

4) Методические рекомендации по проектированию заземляющих устройств железнодорожных электроустановок в районах вечной мерзлоты Согласованы Главтранспроектом, Главтрансэлектромонтажом и ЦЭ МПС М ЦНИИС, 1985 -125с

Внедрение результатов работы Электрификация железнодорожного участка "Волховстрой - Свирь" Октябрьской жд осуществлена с применением комплектно-блочных тяговых подстанций (КБТП) постоянного тока, разработанных в НТЦ (НИЦ) НИИЭФА им Д.В Ефремова (позже Головное предприятие ООО "НИИЭФА - ЭНЕРГО") с участием соискателя КБТП применены на ряде объектов Октябрьской и Северной ж д , а подстанции переменного тока - в Белоруссии Годовой экономический эффект от внедрения 20 КБТП составляет (в ценах 2005 г) 146 млн 223 тыс руб

Проектирование заземляющих устройств электроустановок нетяговых потребителей на трассе БАМЖД осуществлено Головным проектным институтом ОАО «Мосгипротранс» с использованием разработок автора диссертации Суммарный экономический эффект (в ценах 2005 г) составляет 4 млрд 145 млн 353,5 тыс руб

Материалы диссертационной работы вошли в Федеральные учебные пособия для студентов ВУЗов железнодорожного транспорта по дисциплине «Сооружение, монтаж и эксплуатация устройств электроснабжения»

Достоверность научных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, адекватного решаемым задачам, удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, положительным опытом эксплуатации КБТП и электроустановок нетягового электроснабжения на неэлектрифицированных участках БАМЖД

Апробация работы Основные положения диссертации и отдельные ее разделы были представлены и получили одобрение на 9 научных конференциях и симпозиумах, в том числе на 3-х конференциях международного класса, а именно

- на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы строительства БАМ», М , ВНИИ транспортного строительства (ЦНИИС), 1979 г,

- на Всесоюзном семинаре «Опыт строительства электрифицированных участков ж д линий», г Минск, 27-31 июля 1981 г ,

- на расширенном заседании секции IV Научного совета АН СССР по комплексной проблеме «Научные основы электрофизики и электроэнергетики» на тему «Теоретические и электрофизические проблемы растекания токов в мощных заземляющих устройствах в многолетнемерзлых грунтах Крайнего Севера», 23-26 ноября 1982 г в г Норильске, НВИИ,

- на научно-технической конференции московских транспортных строителей и Совета ВНТО ЦНИИСа «Актуальные проблемы проектирования и строительства электрификации железных дорог», 18-20 мая 1988 г, Москва, ЦНИИС,

- на Всесоюзном научно-технический семинаре «Перспективные технические средства обеспечения злектробезопасности в промышленности», 11-13 октября 1989 г, г Севастополь,

- на Всесоюзном семинаре «Пути реализации программы повышения технического уровня («Мировой уровень») при строительстве и электрификации железных дорог», Москва, ЦНИИС, 1990 г ,

- на Второй международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта», Россия, Москва, 24-25 сентября 1996 г , МГУ ПС (МИИТ),

- на Втором международном симпозиуме ЕИгапз'2003 «Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте», 21-24 октября 2003 г , Санкт-Петербург, Россия,

- на Третьем международном симпозиуме Екгапз'2005 "Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на железнодорожном транспорте", 15-17 ноября 2005г, Санкт-Петербург, Россия

Публикации По материалам диссертации имеется 97 научных трудов, из них 45 печатных работ, в том числе 2 монографии и 8 публикаций в изданиях, рекомендуемых ВАК, а также 52 рукописные работы в виде отчетов по НИОКР Кроме того, получено 10 авторских свидетельств на изобретения и 10 патентов на изобретения и полезные модели

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений Общий объем работы 477 с , в том числе 335 с основного текста, 121 рис , 35 табл

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию решаемой проблемы, а именно исследованию и разработке новых технических и технологических решений для тяговых и трансформаторных подстанций и линий нетягового электроснабжения на неэлектрифицированных участках железной дороги, особенно актуальной при строительстве и электрификации железных дорог в северной строительной зоне Сформулированы основные научные положения, которые выносятся на защиту

Первая глава посвящена анализу опыта сооружения, монтажа, эксплуатации и исследованию работы индустриально сооружаемых комплектных тяговых подстанций постоянного тока

Вопросам индустриализации строительства и монтажа электроустановок с самого начала (1960 г) масштабной электрификации железных дорог в СССР уделялось большое внимание В Советском Союзе первая тяговая подстанция без здания была сооружена в 1965 году для системы переменного тока на станции Пады Приволжской ж д Примерно в это же время проектным институтом «Сибгипротранс» был разработан проект тяговой подстанции постоянного тока с одним выпрямительным агрегатом и одинарной трансформаций Однако такие подстанции были недостаточно надежны и, кроме того, они были неудобны в эксплуатации, поэтому в дальнейшем их не стали применять

Первая попытка создания и массового применения индустриально сооружаемых тяговых подстанций полной заводской готовности, названных комплектными подстанциями, была предпринята трестом «Трансэлектромонтаж» при электрификации участка «Уджары - Баку» Азербайджанской железной дороги К тому времени еще не было опыта создания и эксплуатации не только комплектных тяговых подстанций, но и трансформаторных подстанций полной заводской готовности с первичным напряжением выше 10 кВ

Комплектно-блочные трансформаторные подстанции (КТПБ) с первичным напряжением 35, 110 и 220 кВ появились в других ведомствах только в конце 1970-х-начале 1980-х годов При этом, как отмечает разработчик - Одесский филиал института «Оргэнергострой», блочно-комплектное производство и строительство принципиально новых высокоэффективных конструкций подстанций напряжением 35, 110 и 220 кВ впервые в мировой практике было организовано в СССР

В декабре 1969 года на электрифицируемом участке Уджары-Баку Азербайджанской ж д были введены в эксплуатацию 11 тяговых подстанций постоянного тока Это был первый электрифицируемый участок железной дороги в Советском Союзе, на котором в основном были применены комплектные тяговые подстанции Из 11 тяговых подстанций две реконструируемые действующие подстанции, одна опорная тяговая подстанция и восемь комплектных промежуточных тяговых подстанций

На всех комплектных тяговых подстанциях по предложению треста «Трансэлектромонтаж» отказались от строительства здания закрытой части подстанции, а оборудование было смонтировано в блоках заводского изготовления наружной установки

Распределительные устройства ОРУ-ПО кВ приняты рамной конструкции по типовому проекту Ленгипротранса Распределительные устройства ОРУ - 35 кВ выполнены открытыми блочной конструкции заводского изготовления Распределительное устройство РУ - 10 кВ выполнено с применением шкафов наружной установки (КРУН) типа К-У1-У с выкатными тележками масляных выключателей На рис 1 шкафы РУ-10 кВ показаны в правом ряду Распределительные устройства РУ - 3,3 кВ постоянного тока выполнены в металлических закрытых объемных блоках заводского изготовления На рис 1 блоки РУ-3,3 кВ расположены слева

Применение комплектных тяговых подстанций позволило снизить стоимость на 26%, сократить трудозатраты на сооружение и монтаж на 36% и ускорить ввод в действие подстанций.

Рие. 1. Общий вид РУ-10 кВ и 3,3 кВ комплектной тяговой подстанции постоянного тока

После ввода в работу участка Уджары - Баку в соответствии с договоренностью между ЦЭ МПС СССР и ¡ДНИ И Сом, Азербайджанская дорога вела учет работы тяговых подстанций и обнаруженных неисправностей.

ЦНИИСом проводились экспериментальные исследования нагрузочных и тепловлажностных режимов работы электрооборудования па комплектных и традиционных подстанциях с января 1970 г. по июль 1972 года. Всего за анализируемый период (2,5 года) на комплектных тяговых подстанциях произошло 121 нарушение нормальной работы, причем на первые 1,5 года приходится 66 нарушений, в том числе 2 крупные аварии на прибрежной подстанции Лок - Батан, На этой подстанции в результате аварии из-за отказа защит сгорели одна секция РУ 10 к В (17.03.1970 г.) и понижающий трансформатор (07.03.1971 г.). Количество отключений фидеров контактной сети составило в среднем за месяц (на один фидер): в 1970 году и соответственно за период с января по июнь 1971года на подстанции Лок - Батан -36 и 53, на подстанции Дуванный - 30 и 30. За период с августа 1971 года по июль 1972 года количество отключений фидеров на подстанциях находилось в пределах 13-18 в месяц, что на 38-49% больше количества отключений фидеров на традиционных подстанциях с капитальными зданиями Карала г и Кази - Магомед. В табл. 1 приводится укрупненный перечень нарушений нормальной работы комплектных подстанций.

Из табл.1 видно, что большая часть нарушений нормальной работы комплектных подстанций приходится на первое полугодие (64%), в том числе на 1-

й квартал —37,2% Повреждаемость комплектных прибрежных подстанций практически в 1,5 раза выше, чем удаленных от Каспийского моря

Таблица 1

Нарушение нормальной работы комплектных тяговых подстанций на участке «Уджары - Баку» Азербайджанской ж д. в период с января 1970 г по июль 1972 г.

П п Виды нарушений По кварталам года Ито- ! го

I II III IV

1 Механические повреждения, вызванные погодными условиями (дождь, ветер) 5 0 0 0 5/3

2 Перекрытие изоляции РУ ЮкВ, РУ З.ЗкВ 7 1 1 0 1 1 3 0 12/6 2/2

3 Нарушения работы УЗ - 401 2 3 2 2 9/5

4 Нарушения работы ЛУЗС 5 5 0 2 12/5

5 Нарушения работы АБ-2/4 7 7 1 0 15/7

6 Нарушения ВМГ - 133 2 2 2 0 6/3

7 Повреждения конденсаторов сглаживающего устройства 1 4 2 0 7/4

8 Повреждения катушек индуктивности резонансных контуров 0 3 2 0 5/2

9 Перекрытие проходных изоляторов КРУН 10 кВ 5 2 1 0 8/4

10 Нарушение работы кремниевых выпрямителей (КВ) 0 4 13 2 19/8

1 1 Отказы релейных защит (ОЗЗ, МТЗ) 3 2 1 3 9/4

12 Нарушение работы из-за ошибочных действий эксплуатационного персонала 5 0 1 3 9/3

13 Крупные аварии на подстанции Лок-Батан 2 0 0 0 2/2

Всего 121 нарушение нормальной работы, в том числе 58 - на 3-х комплектных прибрежных подстанциях 45 3 3 28 15 121

58

Примечание в столбце «Итого» в знаменателе указано количество нарушений нормальной работы на 3-х комплектных прибрежных подстанциях

На устройства постоянного тока КВ, 3,3 кВ (РУ 3,3 кВ, сглаживающее устройство) приходится 48 (40%) нарушений нормальной работы, при этом наибольшей повреждаемостью характеризуются кремниевые выпрямители (15,7%), затем быстродействующие выключатели АБ-2/4 - 12,4% и сглаживающее устройство - 9,9% Нарушения нормальной работы подстанций, вы-

званные повреждениями в РУ 10 кВ (п 1+п2+п6+п9), составляют 31(25,6%) Значительная доля нарушений нормальной работы подстанций, составляющая 30 (24,8%) случаев, приходится на вторичные устройства (п 3+п 4+п 11) Наибольшее количество нарушений нормальной работы (более 90% всех нарушений) подстанций происходит из-за низкой надежности комплектного оборудования, разработанного для тяговых подстанций постоянного тока

За период с января 1970 г по август1971г были случаи перекрытия с шины быстродействующего выключателя, расположенного со стороны контактной сети, на стенку блока Такие аварии наблюдались на подстанциях 1 Лок-Батан - 2 раза, 2 Наваги - 2 раза, 3 Алят - 1 раз, 4 Баладжары-1 раз, 5 Карадаг -1 раз Случаи 15 отказов выключателей АБ-2/4, приведенных в табл 1, связаны с неотключением тока короткого замыкания, причем в четырех случаях отказы сопровождались выбросом дуги

Исследование тепловлажностного режима проводилось на трех подстанциях комплектного исполнения Лок-Батан, Дуванный и Кюрдамир в распределительных устройствах 3,3 кВ (РУ-3,3 кВ) - в блоках фидеров контактной сети, запасного выключателя и сглаживающего устройства, а также в шкафах КРУН РУ-10 кВ Для сравнения работы электрооборудования комплектных тяговых подстанций и подстанций с капитальными зданиями аналогичные исследования на том же участке проведены на подстанциях Карадаг и Кази - Магомед, на которых оборудование РУ - 3,3 кВ и РУ-10 кВ установлено в зданиях

Как показали исследования тепловлажностных режимов блоков комплектных подстанций, основными факторами, влияющими на работоспособность оборудования комплектного исполнения, являются

1) температура и влажность, превышающие нормированные техническими условиями значения,

2) резкие колебания температуры и влажности, приводящие к нестабильной работе оборудования

Из-за повышенного уровня температуры в блоке сглаживающего устройства достаточно часто выходили из строя конденсаторы На подстанции Кюрдамир только за 1970-1971 г г было заменено 90 конденсаторов, на подстанции Лок-Батан - около 50 конденсаторов Аналогичное положение с выходом из строя конденсаторов наблюдалось и на других комплектных подстанциях, при этом на подстанциях с капитальным зданием наблюдались единичные случаи

повреждений конденсаторов сглаживающего устройства, хотя на всех подстанциях были применены конденсаторы одного и того же типа ФМТ-4-5x2. Эти конденсаторы предназначены для внутренней установки и рассчитаны для работы на высоте не более 1000м над уровнем моря, при относительной влажности не более 80% и температуре окружающего воздуха от минус 35°С до 35°С .

Доказано, что неблагоприятные температурные и влажностные условия в комплектных тяговых подстанциях Каспийского побережья усугубляются агрессивной морской атмосферой, вызывающей повышенную коррозию. Показательно, что на прибрежных подстанциях все клеммные сборки в КРУН 10 кВ и другого комплектного оборудования только за период экспериментальных исследований претерпели значительные коррозионные изменения.

Данные о количестве нарушений нормальной работы комплектных тяговых подстанций (правые столбцы} и относительной влажности наружного воздуха (левые столбцы) по месяцам года приведены на диаграмме рис, 2.

Рис. 2. Диаграмма нарушений нормальной работы комплектных тяговых подстанций и относительной влажности наружного воздуха Диаграмма на рис, 2 показывает жесткую зависимость количества нарушений нормальной работы комплектных подстанций от относительной влажности наружного воздуха. Это говорит о том, что ни ограждающие конструкции, ни средства жизнеобеспечения блоков 3,3 кВ и шкафов КРУН 10 кВ не выполняли своих функций.

Сделан вывод об ошибочности подхода к созданию комплектных подстанций, а именно: невозможно создать надежные индустриально сооружаемые подстанции, используя в качестве базовых элементов ненадежные комплектующие устройства (шкафы КРУН 10 кВ, выпрямители ВКМБ-1 и блоки 3,3 кВ и др.). Невозможно было повысить надежность базовых элементов без кардинального изменения принципов их создания. Поэтому автор диссертации пред-

100 -р.;^,^,^.,.....^^.^,..

О Относительная влажность воддуха,%,-верхний ряд

■ Количество нарушении нормальном работы-мижний РЯД_

дожил в 1973 году тресту «Трансэлектромонтаж» перейти на укрупненные утепленные функциональные электротехнические комплексы, пригодные для работы в любых климатических и инженерно-геологических условиях

Это предложение было реализовано усилиями ЦЭ МПС, Октябрьской ж д, НТЦ (НИЦ) НИИЭФА им Д В Ефремова и соискателя только спустя 20 лет

Вторая глава посвящена обоснованию основных технических решений для создания КБТП постоянного и переменного тока Разработана концепция создания КБТП, в которой автор предложил 2 варианта реализации комплектно-блочных подстанций Первый вариант предусматривал создание функциональных электротехнических комплексов, реализующих электроустановки напряжением до 35кВ включительно для КБТП, второй вариант- до 110(220)кВ включительно Обоснована целесообразность реализации первого варианта, который и был принят за основу при создании КБТП Концепция была рассмотрена на расширенном техническом совещании Службы электрификации и электроснабжения Октябрьской жд 1301 94 г в С-Петербурге и было принято решение реализовать первый вариант КБТП в следующем исполнении

• открытое распределительное устройство ОРУ 110(220) кВ, при этом было намечено применить рамную или бесфундаментные конструкции для установки электрооборудования, жесткую или комбинированную (жесткую в сочетании с гибкой) ошиновку,

• закрытые распределительные устройства 230 В постоянного тока, 0,4 кВ, 3,3 кВ, 10 кВ, в том числе РУ 10 кВ для питания автоблокировки, 27,5, 2x27,5 и 35 кВ, полупроводниковый выпрямитель (преобразователь), общепод-станционный пункт управления (ОПУ), выполненные в виде функциональных электротехнических комплексов полной заводской готовности, состоящих, в свою очередь, из одного или нескольких модулей,

• электроизолирующая среда в распределительных устройствах 3,3 кВ, 10, 27,5 и 2x27,5 кВ, 35 кВ—воздушная

В распределительных устройствах в соответствии с концепцией предусматривалось применить следующие коммутационные аппараты

• в ОРУ 110 (220) кВ—маломасляные выключатели типа ВМТ или эле-газовые, в РУ 3,3 кВ - быстродействующие автоматические выключатели типа ВАБ-43, выпускаемые ПО «УЭТМ», в РУ 10, 27,5 (2x27,5), 35 кВ—вакуумные выключатели

При разработке основных технических решений учтено, что согласно концепции КБТП полностью автоматизированные и телемеханизированные, без постоянного обслуживающего персонала Поэтому при создании электротехнических комплексов параллельно были решены вопросы, связанные с обеспечением надежности их функционирования Кроме того, рассмотрены технологические задачи, решение которых было направлено на повышение эффективности реализации КБТП Учтен также отечественный и зарубежный опыт создания комплектно-блочных трансформаторных подстанций и других индустриально сооружаемых электроустановок

Известно, что выбор варианта компоновочного решения устройств автоматики, управления, защиты и сигнализации (АУЗС) на тяговых подстанциях во многом определяет устойчивость работы электронной аппаратуры, широко применяемой в АУЗС КБТП Соискателем были разработаны 3 варианта компоновочных решений АУЗС и для определения наилучшего варианта был использован метод экспертных оценок, так как обоснование и оценка решений не могли быть выполнены на основе точных расчетов

Всего в анкетировании приняло участие 26 экспертов из следующих организаций 1 Служба электроснабжения и энергетического хозяйства Московской и Октябрьской жд (6 чел) 2 Электромонтажный поезд № 701 треста «Трансэлектромонтаж»(3 чел ) 3. Мосгипротранс(2чел ) 4 Трансэлектропроект (2 чел ) 5 Дорожная электротехническая лаборатория Московской ж д (3 чел ) 6 ВНИИЖТ(Зчел ) 7 Трест «Трансэлектромонтаж»(Зчел) 8 «Главтраксэлектро-монтаж» Минтрансстроя (3 чел ) 9 МИИТ (1 чел )

Было предложено 3 варианта размещения устройств АУЗС

1 Устройства АУЗС размещены в шкафах присоединений РУ 3,3, 10 и 27,5 (2x27,5) кВ, устройства управления и сигнализации присоединений ОРУ 35 и 110(220) кВ- в щитовой (как по действующему проекту)

2 Устройства АУЗС размещены на присоединениях (полная автономность присоединений)

3 Устройства защиты размещены на присоединениях, а устройства управления и сигнализации - в щитовой

Для оценки согласованности мнений экспертов служит коэффициент кон-

кордации W

где г,j _ ранг, присвоенный j-m экспертом 1- му варианту, n-число экспертов, ш-число вариантов

На основании полученных ответов экспертов была составлена итоговая таблица анкетирования, которая была обработана известными методами В результате получено, что лучшим вариантом является первый, он и был принят за основу

В качестве источника питания СН постоянного тока на КБТП применили экологически чистые аккумуляторные батареи (АБ) фирмы «Норреске», а схему АБ выполнили без концевых аккумуляторов Предложена методика выбора аккумуляторной батареи для комплектно-блочной тяговой подстанции

Известно, что для выбора аккумуляторной батареи рассчитывают емкость батареи, исходя из аварийного режима При этом определяют расчетную емкость Qpac4 (номер аккумулятора А^,) по длительному току в аварийном режиме /¿„ а также по максимальному току разряда 1Р „,!*=/,»,+/„*,, где - ток, потребляемый наиболее мощным приводом при включении коммутационного аппарата Из двух полученных расчетных емкостей (номеров) принимают наибольший номер аккумулятора

Выразим отношение номера аккумулятора, рассчитанного по максимальному току Np тах, к номеру, рассчитанному по длительному току в аварийном ре жиме Ndlpa3p, и проанализируем его

Np max Ip max Q\

Nd7 palp 1,1 46/rb paiptafi

гдetae- продолжительность аварии, принимаемая для тяговых подстанций равной 2 ч, Q1 - емкость аккумулятора, равная при двухчасовом разряде- 22 А ч После преобразований отношение примет вид Npmax/Nd,= 0,2174 (Ipmax/h-) Если значение отношения номеров не больше единицы, те (Ip „ах, Il>J<=4,6, то определяющим параметром при выборе емкости аккумуляторной батареи всегда будет величина длительного тока в аварийном режиме Однако для реальных тяговых подстанций, а тем более для КБТП, на которых широко применяется в устройствах АУЗС аппаратура с малым потреблением энергии, выражение в скобках всегда существенно больше 4,6 Поэтому определяющим при выборе номера аккумуляторной батареи является режим кратковременного разряда максимальным током в аварийном режиме 1ртах

В существующей методике выбора аккумуляторной батареи при расчете номера аккумулятора по кратковременному максимальному току разряда исходят из допустимого пятисскундного разрядного тока для аккумуляторов. Величина этого тока для отечественных аккумуляторов в 2,5 раза больше допустимого тока одночасового разряда, поэтому методика справедлива только при выборе отечественных аккумуляторов.

Продолжительность кратковременного режима разряда при включении современных коммутационных аппаратов составляет от десятков миллисекунд до десятой доли секунды. Следовательно, по рассмотренной методике получаем избыточную емкость аккумуляторной батареи.

Показано, что для аккумуляторов зарубежных фирм, в частности немецкой фирмы «Норреске» (или аналогичной), приводятся не только пятисекунд-ные, но и для существенно меньших интервалов времени разрядные токи, причем односекундные и двухсекундные допустимые разрядные токи больше допустимого тока одночасового разряда в пределах 2,9 - 4 раза (см. рис. 3).

Обосновано, что при выборе аккумуляторной батареи фирмы «Нор-реске»(нли аналогичной) целесообразно принимать в качестве максимального допустимого тока разряда ояносекундный ток разряда аккумулятора.

ЩоЩх

5 * ** * + *

Время рапрчдз

□ Рнд1

■ Рлдг ПРядЛ

Рис. 3. Разрядные характеристики аккумулятора типа ОС] - 230 А*Ь фирмы «Норреске». Столбцы слева направо соответствуют максимальным допустимым токам при следующих допустимых напряжениях в конце разряда - 1,8; 1,77; 1,75 и 1,7 В, Предложенная методика учитывает реальные разрядные характеристики и

позволяет более обоснованно выбирать аккумуляторную батарею.

Разработан способ и устройство для точной калибровки фидерных быстродействующих выключателей. Для этого проанализированы требования, предъявляемые к аппаратам и измерительным приборам, используемым при калибровке выключателей.

Показано, что относительная величина запаса защиты по чувствительности (300А) на минимальной и максимальной уставках для БВ, в частности, типа АБ-2/4 (2000 и 4000 А) составляет соответственно 15% и 7,5% С учетом погрешности по току отключения самого выключателя ( + 2,5%) и погрешности измерительного прибора (амперметра класса точности не ниже 0,5), используемого при настройке, реальный запас защиты по чувствительности на минимальной и максимальной уставках будет равен соответственно 12% и 4,5% Следовательно, применяемые методы и аппаратура для настройки должны обеспечивать очень высокую точность Кроме этого, они должны быть достаточно простыми и удобными для выполнения работ на линейных объектах

Среди всех модификаций выпрямительных агрегатов (ВА) для настройки БВ на токи отключения следует выделить ВА, разработанные ПКБ ЦЭ МПС в 1967 году на ток до 3000 А по двухполупериодной нулевой схеме и шестипуль-совый многоамперный выпрямительный агрегат (УВМ-4000) на ток до 4000 А как наиболее удобные для применения в линейных условиях Агрегат УВМ-4000 имеет регулирующее устройство - трехфазный автотрансформатор типа РНТ-12 или трехфазный водяной реостат Последний, как наиболее простой и легкий, применен в усовершенствованной конструкции УВМ-4000

Показано, что при использовании ВА пульсирующий ток 1с1 (мгновенное значение), протекающий по главной цепи, вносит дополнительную погрешность в величину тока отключения, так как измерительный прибор фиксирует среднее значение тока отключения, в то время как БВ, например АБ-2/4 (или другой БВ), имеющий малое собственное время срабатывания (0 0035— 0,0045с), реагирует практически на амплитудное значение пульсирующего тока

Для оценки предполагаемых по! решностей, вносимых различными схемами ВА, рассмотрены соотношения средних (1<1) и амплитудных (1т) значений токов калибровки При этом сделано допущение о том, что цепи переменного и выпрямленного тока содержат только активные сопротивления, что соответствует максимальной пульсации тока при настройке Используя известные положения ТОЭ, получаем для двухпульсовой схемы выпрямления Ы=0,6371т и, следовательно, предполагаемая максимальная погрешность равна 36,3%, для шестипульсовой схемы выпрямления 1<1=0,9551т, при этом максимальная погрешность равна 4,5%, для двенадцатигтульсовой схемы И=0,9891т, при этом предполагаемая погрешность составляет 1,1%

К дополнительному искажению тока в размагничивающем витке, определяющего, по сути, ток уставки, приводит наличие двух параллельно соединенных ветвей (см рис 4) со специально подобранными параметрами, приведенными ниже

Выражения мгновенных значений токов в ветвях главной цепи выключателя id = Id + Ipt: = IdRjítut/(R-UW + Rpe ), ¡pe = IdRpe l(R\iui + Rpe),

к — n

где Id- среднее значение тока в главной цепи, ik- ток к-ой гармоники

1рв

___Рмш

|мш

Рис 4 Схема замещения главной цепи выключателя АБ-2/4 Ьр„, /,„„„ /?,,„,/?„,„-

индуктивности и активные сопротивления размагничивающего витка и ветви магнитного шунта, ¡ц, !,,„,!„„,- токи в главной цепи, размагничивающем витке и ветви магнитного шунта

Параметры ветвей главной цепи выключателя АБ-2/4 имеют следующие-значения Г<рв=18,4мкОм, Кчш=9,2мкОм, Ьрв=1,82 мкГн, Ьмш=5,9 мкГн

При указанных параметрах независимо от схемы выпрямления средние значения токов в ветвях главной цепи, как это видно из выражений токов в ветвях, равны соответственно

Ырв = 1скпи = 2Ы!Ъ

Распределение токов отдельных гармоник по ветвям можно также рассчитать по приведенным выше выражениям, если в этих выражениях активные сопротивления ветвей заменить соответствующими индуктивностями ветвей В результате для каждой гармоники получим

гкрв = 0,7641к, 1Ыш = 0,23б1к

Следовательно, ток в размагничивающем витке искажается более существенно, чем ток в главной ветви Этим и объясняется вносимая схемой выпрямления дополнительная погрешность при настройке выключателя на ток отключения

Экспериментальными исследованиями установлено использование двух-пульсовых схем выпрямления приводит к завышению токов отключения (уставок) выключателей АБ-2/4(ВАБ-43) примерно на 32%, использование шести-

пульсовых схем—на 4,8% Применение двенадцатипульсовой схемы выпрямления обеспечивает такую же точность калибровки, какую обеспечивает применение агрегата АНД-2500/5000 погрешность при этом не превышает 2-3%

Результатами экспериментальных исследований доказано, что при калибровке быстродействующий выключатель реагирует не на среднее, а практически на амплитудное значение тока в главной цепи Величины погрешностей, вносимых различными схемами выпрямления, полученные экспериментальным путем, незначительно отличаются от расчетных, полученных для идеализированного случая, так как индуктивности реальных ВА пренебрежимо малы Активное сопротивление и индуктивность фазы трансформатора экспериментального выпрямительного агрегата (соответствующего по параметрам УВМ-4000), приведенные к стороне низшего напряжения, составляют соответственно Яф2=2,688 10"4 Ом, Ьф2= 1,492 Ю^Гн

Существенного повышения точности калибровки можно добиться путем

1) применения в цепи выпрямленного тока сглаживающего реактора,

2) увеличения фаз выпрямительного агрегата,

3) применения источника питания повышенной частоты

Все приведенные способы решения задачи технически осуществимы, но приводят к существенному усложнению оборудования для настройки выключателей на токи отключения

Предложен (в соавторстве) простой способ резкого повышения точности калибровки БВ, суть которого заключается в сглаживании пульсирующего магнитного потока в стержне магнитопровода, к которому притянут якорь выключателя во включенном положении Сглаживание магнитного потока достигается применением короткозамкнутой обмотки, надеваемой на этот стержень на время пропускания тока калибровки Для простоты в качестве короткозамкнутой обмотки может использоваться включающая катушка выключателя, закорачиваемая на время пропускания пульсирующего тока по главной цепи

Справедливость утверждений и эффективность нового способа повышения точности настройки БВ были проверены экспериментальным путем

Для экспериментальных исследований был использован выключатель типа АБ-2/4(заводской номер 22094) Быстродействующий выключатель был проверен сглаженным током (с помощью двенадцатипульсовой схемы) на уставке 2180 А, установленной с помощью агрегата АНД-2500/5000 После этого

проверялась настройка БВ выпрямленным током с различной пульсацией -двухпульсовой и шестипульсовой

В табл 2 приведены величины средних (из 5 отключений) токов отключения АБ-2/4 при настройке его от различных схем выпрямления и в различных режимах работы включающей (ВК) и калибровочной (КК) катушек

Таблица 2

ВК и КК разомкнуты КК закорочена ВК закорочена, ВК и КК закорочены Ток уставки БВ, А

Ток отключения при шестипульсовой схеме, А 2080 2100 2120 2160 2180

То же, при двухпульсовой схеме, А 1650 2050 2080 2120 2180

Из табл 2 можно сделать следующий вывод Разработанное устройство и способ являются эффективными средствами повышения точности калибровки БВ, позволяющими применять для калибровки любые ВА При этом погрешность не превышает при шестипульсовой схеме - 0,93%, при двухпульсовой - 2,83%

Способ был усовершенствован путем дополнения его устройством емкостной компенсации индуктивного сопротивления короткозамкнутой катушки с целью повышения ее эффективности На указанное техническое решение получено авторское свидетельство №918130 «Устройство для настройки быстродействующих выключателей», принципиальная схема которого приведена на рис 5

выключателей

Результаты исследований, а также устройство для настройки БВ, были проверены на подстанциях Малукса и Кириши Октябрьской ж.д. Были проведены также испытания выключателей ВАБ-43 и реле - дифференциального шунта типа РДШ-1, на магнитолровод которого была намотана кгтушка. Эти эксперименты полностью подтвердили эффективность способа и устройства для настройки.

Устройство по A.C. № 918130 внедрено на Приднепровской ж.д. Основание: приказ ЦЭ МПС СССР № Т-4909у от 18.09.87 г.

В главе 2 также рассмотрены технологические вопросы, связанные с разработкой методов монтажа электротехнических комплексов КБТП, учитывающих особенности выполнения подстанций и сводящих к минимуму маневровую работу по подаче электротехнических комплексов на подстанцию. Применительно к данной работе в справке НИИЭФА от 23.12.96 г. jVs 300-231 (Приложение 1 диссертации) сказано о соискателе «..., разработал оптимальную технологию монтажа подстанции на строительной нлошадке». Разработаны рекомендации по рациональным методам прогрева силовых трансформаторов при их монтаже и контрольных испытаниях, приведены схемы прогрева и расчеты их параметров. Кроме этого, разработан ускоренный метод приготовления электролита при монтаже аккумуляторных батарей.

Наблюдениями соискателя за работой КБТП (рис. 6) установлено: надежность КБТП существенно выше надежности традиционных стационарных тяговых подстанций со зданием. За 10-12 лет эксплуатации 18-20 КБТП, изготовленных и внедренных НИИЭФА, не было ни одной аварии, связанной с перерывом в питании тяговой сети. КБТП неоднократно экспонировались на международных выставках ЭЛЕКТРО, на которых они всегда получали высокую оценку.

Рис, 6, Вид КБТП постоянного тока «Лодейлое Поле» Октябрьской ж.д.

Сравнение подстанций на рис 1 и 6 указывает на явный прогресс в индустриализации сооружения и монтажа тяговых подстанций

Третья глава посвящена совершенствованию тяговых подстанций постоянного и переменного тока

При совершенствовании тяговых подстанций постоянного тока основное внимание было сосредоточено на повышении надежности РУ-3,ЭкВ, в первую очередь быстродействующих выключателей, работающих в наиболее тяжелых условиях Для этого предложено (в соавторстве) новое усовершенствованное разрядное устройство шунтирования реактора сглаживающего устройства, существенно облегчающее работу быстродействующих фидерных выключателей при коротких замыканиях на всей фидерной зоне (рис 7)

Предложенное разрядное устройство шунтирования реактора тяговой подстанции постоянного тока отличается от существующего тем, что оно дополнительно оснащено блоком ускорения отпирания тиристора, выполненным по схеме ИЛИ, причем каждый вход блока соединен с выходным устройством защиты от коротких замыканий или датчика тока соответствующего фидера, или любых других устройств, сигнализирующих о процессе аварийного отключения выключателя фидера, а выход блока присоединен к входу схемы управления отпиранием тиристора

Главный недостаток существующего разрядного устройства шунтирования реактора состоит в том, что его напряжение срабатывания (напряжение на реакторе) должно быть достаточно большим, чтобы исключить ложные срабатывания и недопустимо длительные шунтирования реактора в нормальных режимах работы тяговой подстанции Поэтому, даже в наиболее благоприятных для данного устройства режимах работы (при к з в непосредственной близости от тяговой подстанции) оно срабатывает не в момент начала спада ограниченного выключателем тока (соответствующий максимуму запасаемой реактором энергии), когда для облегчения работы БВ это наиболее необходимо, а с запозданием и, следовательно, эффект от шунтирования снижается

Исследована эффективность разрядных устройств Для этого рассмотрен поэтапно процесс отключения тока к з при наличии на подстанции разрядных устройств шунтирования реактора и составлены для этих этапов дифференциальные уравнения

Первый этап - время от начала к з до срабатывания разрядного устройства, описывается известным дифференциальным уравнением

где и - активное сопротивление и индуктивность контура к з ,

ид (/) - зависимость напряжения на дуге от времени (характеристика дуги)

»» 1»

- входы

Рис 7 Усовершенствованное разрядное устройство шунтирования реактора тяговой подстанции постоянного тока 1-реактор тяговойподстанции,2-диод, 3- разряд ный резистор,4-высоковольтный управляемыйтиристор,4 1 и 4 2-входы схемы управления отпиранием тиристора,5 - варистор, 6 — стабилитрон, 7 - блок ускорения отпирания тиристора, 7 1 и 7 2-выходы блока 7, 7 3 7 N - входы блока 7,8- изолирующий трансформатор

Второй этап - время от момента срабатывания разрядного устройства до момента отключения тока к з Для составления дифференциальных уравнений, описывающих процесс работы разрядного устройства, приведем схему его подключения (рис 81

ЗЗкВ

81 В2

Рис 8 Схема подключения разрядного устройства

Токи в ветвях схемы рис 8 от момента срабатывания УР и до момента снижения тока выключателя до нуля определяем из системы дифференциальных уравнений (на рис 8 активное сопротивление реактора Я не показано, но для

корректного решения системы оно включено в дифференциальное уравнение)

ж

kcJ

+ ik(t){Rn+Rkc)-iTW + u„(t)

Ml

(2)

+ / (t)R =0

p dt p p ie(t) = ip(t)-iT(t)

Ток в контуре «реактор - разрядное сопротивление R» при zg = 0 опреде-

ляется из выражения

ip{t) = Ip^v[-R{t-tJ/Lpl

(3)

где / ф - ток в реакторе в момент ( соответствующий моменту отключения тока к з

Приведенные выше уравнения позволяют исследовать работу БВ как при наличии УР (в том числе предложенного), так и при их отсутствии (рис 9)

«Дж

Рис 9 Зависимость выделяющейся энергии в дуге выключателя GE Rapid от удаления точки к з 1-при отсутствии УР, 2-при работе имеющегося УР-3, 3- при наличии предложенного усовершенствованного УР Компьютерными исследованиями доказано, что при наличии на фидере выключателя lxGE Rapid 4207 2x4 усовершенствованное разрядное устройство шунтирования реактора (УРУ-3)

• обеспечивает работу выключателя при к з в любой точке фидерной зоны

при практически неизменной энергии, выделяющейся в дуге,

• существенно снижает выделяемую энергию в дуге (в 2,3 раза при к з на выходе подстанции и на 18%-при удалении места к з на 8 км, при этом ампер-секунды снижаются соответственно на 53 и 6%),

• с удалением места к з от тяговой подстанции эффективность УРУ-3 по сравнению УР-3 заметно возрастает, при этом зона действия УР-3 (расстояние от тяговой подстанции до места к з ) не превышает 2,5- 3 км

В связи с тем, что в последние годы изучается вопрос о целесообразности использования одного из лучших зарубежных БВ типа GE Rapid 4207 2x4 фирмы GE Power Controls, Германия, взамен отечественных сдвоенных выключателей 2хВАБ-49-3200/30-Л, выпускаемых ОАО «УЭТМ» (далее GE Rapid и 2хВАБ-49) проведены сравнительные исследования указанных выключателей

Для этого обоснована методика сравнения быстродействующих фидерных выключателей постоянного тока по главным параметрам В качестве главных параметров приняты отключающая способность выключателя, амперсекунды тока, прошедшего через место к з, коэффициент ограничения отключаемого тока к з На основании этой методики выполнено компьютерное моделирование процесса отключения токов к з в тяговой сети Для этого составлена расчетная схема замещения цепи, приведенная на рис 10, а также характеристики дуги (рис11и 12) Расчет процесса отключения токов к з выполнен с использованием дифференциального уравнения (1), в котором в качестве известных параметров приняты параметры схемы на рис 10 U — U,Q, — р+ R + R ;

Рис 10 Расчетная схема замещения цепи для компьютерного моделирования

процессов отключения токов короткого замыкания в тяговой сеги постоянного тока и<н> - напряжение холостого хода источника питания (тяговой подстанции),/? /„„ - эквивалентное сопротивление и индуктивность тяговой подстанции й,„ /- сопротивление и индуктивность тяговой сети до места кз 1(р /р-сопротивление и индуктивность реакторов сглаживающего устройства тяговой подстанции, и„ (/^-напряжение на дуге выключателя, К - место короткого замыкания

1¿,и,

Vj 55УД

\ U

t

0

I bt. TW, | ¿t,

Рис 11 Зависимости напряжения Щ (t) на дуге выключателя GE Rapid и тока к з 1i,ot времени, рекоменд> емые компанией GE Power Controls для компьютерного моделирования отключений тока короткого замыкания А<о - собственное время выключателя (от момента f, достижения уставки защитным устройством выключателя до момента t2 расхождения его контактов, те до момента появления на них дуги), Дit - время горения между контактами короткой дуги при напряжении 200 В, Д(2 - время подъема напряжения на дуге до 5500 В, Дг, - время горения дуги при стабильном напряжении 5500 В (его длительность определяется моментом /4 достижения током нуля, т е моментом отключения тока)

Рис 12 Зависимость С!л (t) напряжения на дуге выключателя 2хВАБ-49 для компьютерного моделирования процесса отключения выключателем тока короткого замыкания в тяговой сети постоянного тока (по данным осциллограмм ОАО «УЭТМ» )

В результате проведенных исследований установлено а) выключатель GE Rapid 4207 2x4 уступает по главным параметрам сдвоенному выключателю 2хВАБ-49-3200/30-Л, б) сдвоенный выключатель 2xGE Rapid 4207 2x4 практически эквивалентен сдвоенному выключателю 2хВАБ-49-3200/30-Л (см табл 3 и 4)

1,и

Ус

99 кВ

Таблица 3

Результаты компьютерного моделирования отключений токов кз быстродействующими выключателями 2хВАБ-49 и GE Rapid

Ток Максимальное Коэффициент А сек в

уставки Тип значение ог- ограничения месте кз

Место к з выклю- выключателя раниченного тока к з i4

чателя тока к з (/3), (*„„,= Л //у)

(/у), А '1

А

На выводах Тяговой Подстанции 5000 2хВАБ-49 10840 2,16 163

GE Rapid 11800 2,36 281

3000 2хВАБ-49 9261 3,09 121

GE Rapid 10336 3,45 221

В тяговой сети у поста 3000 2хВАБ-49 4281 1,43 81

GE Rapid 4430 1,48 114

Таблица 4

Результаты компьютерного моделирования отключений токов к.з быстродействующими выключателями 2хВАБ-49 и 2xGE Rapid

Ток Уставки Тип Максимальное значение Коэффициент ограни- А сек в месте

Место к з выклю- выключателя ограничен- чения тока КЗ

чателя (/у), А ного тока кз (/3), А к 3 (fcolp = h 1 h) ( ]i,dt) Г,

На выводах 5000 2хВАБ-49 10839 2,17 163

тяговой 2xGE Rapid 11082 2,21 172

подстанции 3000 2хВАБ-49 9261 3,08 121

2xGE Rapid 9548 3,18 124

В тяговой 3000 2хВАБ-49 4280 1,43 81

сети у поста 2xGE Rapid 4287 1,43 84

По тяговым подстанциям переменного тока дано обоснование возможности применения однополюсных выключателей на трехфазных присоединениях в РУ 27,5 кВ (вводах 27,5 кВ, трансформаторах собственных нужд, фидерах ДПР) Это позволило разработать унифицированное РУ 27,5 кВ и тем самым существенно облегчить эксплуатационное обслуживание подстанций Кроме

этого, обосновано предложение о неразрывном (глухом) соединении фазы «с» вторичной обмотки 27,5 кВ понижающих трансформаторов тяговых подстанций переменного тока с «землей»

Обоснованно доказано, что переход на однополюсные выключатели не только повышает степень унификации РУ-27,5 кВ, но также существенно облегчает условия отключения токов к з самих однополюсных выключателей по сравнению с трехполюсными выключателями и тем самым повышает надежность РУ-27,5 кВ

Сравнение условий работы трехполюсных и однополюсных выключателей выполнено по возвращающемуся напряжению Так, возвращающееся напряжение при трехфазном к з для трехполюсного выключателя 35 кВ, работающего в сети с изолированной нейтралью, составляет

г/0<3) = 1,5 Сл/2/^3 =1,5 37^2/73 = 45,2кВ Наибольшей трудностью сопровождается отключение двухфазных коротких замыканий с «землей» на фидерах контактной сети обоих плеч питания (а, следовательно, и двухфазного короткого замыкания с землей на завершающей стадии отключения трехфазного короткого замыкания с землей) также при условии, что включены оба понижающих трансформатора и секционные разъединители сборных шин 27,5 кВ, при этом возвращающееся напряжение Vв2 " 2 = 26,2л/2 = Ъ1кВ Предложены и обоснованы упрощенные схемы подстанций переменного тока без обходных устройств (обходной шины, запасного выключателя и обходных разъединителей) для электрифицированных участков с нормальным движением (без тяжеловесных поездов) и малодеятельных участков

Ниже приводится одна из двух разработанных новых схем РУ-27,5 кВ (рис 13), предназначенная для вновь проектируемых и реконструируемых тяговых подстанций переменного тока (на участках без движения тяжеловесных поездов), а вторая - для подстанций малодеятельных участков, отличающаяся от первой схемы тем, что не имеет узла перекрестного резервирования РШ1 и РШ2 Новые схемы РУ-27,5 кВ тяговых подстанций позволяют обеспечить надежность функционирования системы тягового электроснабжения и полную безопасность при выполнении ремонтно-профилактических работ в распределительном устройстве РУ-27,5 кВ тяговой подстанции Применение этих схем также существенно упрощает конструкцию РУ-27 5 кВ, особенно в закрытом и комплектно-блочном исполнении

Ф1 Ф2 ФЗ Ф4 Ф5

Рис 13 Схема РУ 27,5 кВ тяговой подстанции переменного тока с поперечно- коммутационным устройством (ПКУ) 1- СР - секционный разъединитель РУ 27,5 кВ, 2 СШ - сборные шины РУ 27,5 кВ, 3 Ф1 - Ф5 - фидеры контактной сети,

4 Р1 — Р5, В1 - В5 - разъединители и выкчючатели фидеров контактной сети,

5 РШ1, РШ2 — шинные разъединители узла перекрестного резервирования ПКУ состоит из последовательно соединенных коммутационного аппарата

КА (разъединителя с электрическим приводом или вакуумного контактора ), трансформатора тока ТТ и устройства защиты и автоматики (УЗА), обеспечивающего заданный алгоритм работы ПКУ

КА обеспечивает размыкание ПКУ в бестоковую паузу и производит это по команде от УЗА

Узел перекрестного резервирования (см рис 13) состоит из двух шинных разъединителей с моторным приводом (РШ1 и РШ2), позволяющих отсоединить питаемые через них фидера контактной сети и, тем самым, обеспечить безопасность производства ремонтно-профилактических работ на этих фидерах

Алгоритмы работы новых схем РУ-27,5 кВ разработаны для случая, когда в в РУ 27,5 кВ отсутствуют устройства опробования отключенных участков контактной сети на наличие устойчивого короткого замыкания, поэтому все переключения в схемах в вынужденных режимах выполняет диспетчер и делает это в щадящем для сети режиме

Для анализа работы схем рассмотрен двухпутный участок с контактной подвеской ПБСМ1-95+ТФ-100 с параметрами Z2]=0,185+J 0,385, Ом/км, ^22=0,215~^0,515, Ом / км, где Х2г сопротивление 1 км петли контактная подвеска- рельс при работе одного пути двухпутного участка, Ъ^г- то же при параллельном соединении подвесок путей, модули сопротивлений равны соответственно следующим значениям- г2| =0,425 Ом / км, Ъгг =0,557 Ом / км I,- рас-

стояние между подстанцией и постом секционирования, км (1]=20) Тяговые подстанции приняты в двух вариантах с трансформаторами 25000 и 40000 кВА

Доказано, что даже без корректировки уставок защит фидеров контактной сети, схема на рис 13 обеспечивает требуемую надежность электроснабжения тяги в вынужденном режиме работы тяговой подстанции

Четвертая глава посвящена совершенствованию трансформаторных подстанций, предназначенных для северной строительной зоны

Показано, что главным недостатком как КТП 10(6)/0,4 кВ, так и ТП 25(35)710/0,4 кВ наруясной установки является необходимость обслуживания их на открытом воздухе, особенно в районах, характеризующихся значительным количеством осадков или суровыми климатическими условиями, т е на большей части территории России

Недостаток существующих проектов распределительных пунктов питания (РП) - низкий уровень индустриализации при их сооружении, большие занимаемые площади застройки, составляющие от 110 до 450 м2 и сроки ввода их в действие

Для северной строительной зоны чрезвычайно важно, что комплектно-блочные электроустановки с легкими утепленными металлическими ограждающими конструкциями предъявляют минимальные требования к фундаментам и основаниям, на которых их сооружают

Для комплектно-блочных подстанций разработана методика выбора параметров ограждающих конструкций

Разработаны комплектно-блочные трансформаторные подстанции КТПБ-35/10/0,4 кВ и 25/10/0,4 кВ, предназначенные для питания потребителей первой категории и особой группы электроприемников первой категории (рис 14- 16) КТПБ-25/10/0,4кВ выполнена аналогично КТПБ-35/10/0,4кВ

Выполнены тепловые расчеты модулей электротехнических комплексов для КТПБ-35(25)/10/0,4кВ с использованием известных положений теплотехники и строительной физики и выбраны параметры ограждающих конструкций с применением эффективных теплоизотирующих композитных материалов на основе пенополиуретана

Произведена оценка возможности росообразования на внутренних стенках модулей при их нагревании в холодное время года в соответствии с требованиями СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»

аМпз вш а}я> ФиЛп

Рис 14 Принципиальная электрическая схема КТПБ-35/1 О/О,4кВ

Рис 16 Конструктивное выполнение модуля 35кВ

Исследованы тепловлажностные режимы внутри модулей с проверкой возможности выпадения влаги на внутренних стенках ограждения Для этого

определены температуры воздуха внутри модуля '«« (1-гг ) + ег +1И

- — к

и внутренней стенки модуля <с, = и - (и ™ (I - е7) + о 0 ет) —, где к и ав - коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции и коэффициент теплоотдачи внутренней стенки модуля, ^ - температура наружного воздуха, "С, Т -постоянная времени нагревания модуля, ч, и ^и >->)ст0- установившееся и начальное превышения воздуха внутри модуля

Рис 17 Зависимость температуры нагрева воздуха 1„ и внутренней стенки модуля 1С, от времени нагрева /в, 1С, и (1е - гс,) - верхняя, средняя и нижняя кривые

Действительная разность температур воздуха внутри модуля и внутренней стенки ограждающей конструкции, как видно из рис 17, меньше нормируемого температурного перепада, равного 7°С Следовательно, параметры модулей отвечают требованиям СНиП 23-02-2003, предъявляемым к производственным помещениям по предотвращению росообразования

Пятая глава посвящена решению задач, связанных с обеспечением электробезопасности обслуживания систем и устройств нетягового электроснабжения на неэлектрифицированных участках в северной строительной зоне (на примере БАМ)

Произведена оценка факторов, оказывающих наибольшее влияние на электробезопасность обслуживания сетей и устройств в системе нетягового

электроснабжения Сравнительная оценка факторов выполнена с применением экспертного метода исследований

Для проведения исследований с использованием метода экспертных оценок в группу экспертов были включены ведущие специалисты институтов Главтранспроекта, а также научные работники Общая численность группы экспертов составила 15 человек Экспертам для заполнения была предложена анкета, содержащая следующие факторы, расположенные в случайном порядке 1 Отсутствие малой механизации для обслуживания устройств нетягового электроснабжения 2 Отсутствие устройств защитного отключения в сетях до 1000 Вольт 3 Отсутствие средств защитного автоматического шунтирования поврежденной фазы ВЛ 35 кВ 4 Необходимость работы в суровых климатических условиях 5 Трудности проверки отсутствия напряжения и наложения заземляющих штанг при работе на проводах с полевой стороны 6 Несовершенство заземляющих устройств, эксплуатирующихся в районах вечной мерзлоты 7 Необходимость обслуживания ВЛ разного номинального напряжения, размещенных на одних и тех же опорах 8 Нарушение обеспечения эквипотенциальных условий в рабочей зоне 9 Выполнение защиты от замыканий на землю с действием на сигнал (на ВЛ Минэнерго)

По результатам экспертных исследований был сделан вывод о том, что для обеспечения электробезопасности в сетях и устройствах нетягового железнодорожного электроснабжения БАМ необходимо, в первую очередь, разработать заземляющие устройства (ЗУ), удовлетворяющие требованиям нормативных документов

При разработке ЗУ, учитывая большую стоимость искусственных заземляющих устройств, основное внимание было сосредоточено на изыскании эффективных естественных заземлителей При этом важнейшим был вопрос о возможности использования рельсового пути (РП) Теоретические исследования переходного сопротивления РП были выполнены в работах докторов технических наук Р Н Карякина и Б И Косарева Вместе с тем экспериментальных данных о возможности и эффективности использования РП и других естественных заземлителей к началу проектирования электроустановок БАМ не было Первые предварительные экспериментальные исследования, проведенные ЦНИИСом в октябре 1976 г, показали возможность использования рельсового пути в качестве естественного заземлителя Однако для окончательного реше-

ния вопроса необходимо было провести широкомасштабные экспериментальные исследования

Проведены комплексные экспериментальные исследования на трассе БАМ (совместно с ОмИИТом) сопротивлений растеканию искусственных и комбинированных (искусственных в сочетании с естественными) заземляющих устройств, фундаментов опор ВЛ 10+35 кВ, установленных в теле земляного полотна (в том числе с противопучинными устройствами), а также на территориях мерзлотных станций ЦНИИСа, свай и рельсового пути в периоды наибольшего оттаивания и набольшего промерзания грунтов

В результате экспериментальных исследований установлено-

• входное сопротивление непрерывного рельсового пути (с дроссель-трансформаторами) не превышает 3-4 Ом в любое время года, следовательно, в условиях БАМ рельсовый путь является идеальным естественным заземлите-лем электроустановок,

• использование свайного фундамента в качестве заземлителя дает значительный эффект в снижении затрат на заземляющие устройства трансформаторных подстанций (ТП), составляющий 449072 руб (в ценах 2005 г) на одной ТП,

• объединение арматуры свайных фундаментов нескольких ТП (комбинированное (групповое) заземляющее устройство) позволяет отказаться от сооружения искусственных нормируемых заземляющих устройств ТП и, с учетом сопротивления растеканию соединительных проводников, перейти на сооружение ненормируемых выравнивающих контуров на каждой ТП Экономический эффект, полученный от внедрения этого технического решения на неэлектрифи-цированных участках БАМЖД, составляет 1 млрд 337 млн руб (в ценах 2005 г),

• противопучинные устройства опор ВЛ в условиях максимального оттаивания грунта не оказывают существенного влияния на сопротивления растеканию фундаментов этих опор Величины указанных сопротивлений в период максимального промерзания грунта превышают сопротивления растеканию свай больше чем на порядок

Разработана методика расчета параметров комбинированного (группового) заземляющего устройства (КЗУ) Получено выражение для сопротивления растеканию ЗУ ТП (Язу) для случая образования КЗУ из ЗУ двух ТП и проложенных между ними соединительных проводников в земле

- (21 \thyj,, | - 2 л„ гд)+^ 11Ъу1п | - 2Я„ гв )2 + 4(ге - ^ |)л„ ^ | "" 2(гя-Д„|/Ау/я|)

где Ян - нормируемое ПУЭ сопротивление ЗУ с учетом всех естественных и искусственных заземлителей, Ом, Zв - волновое сопротивление горизонтального проводника, Ом, 1п - длина горизонтального проводника, км, у - коэффициент распространения горизонтального проводника, км'1

Из физического смысля ясно, что величина положительна, причем

> И Показано, что при расположении двух ТП в непосредственной бли-^У н

зости друг от друга, когда 1п = 0 и Л( у 1п)= 0, пренебрегая взаимным влиянием ЗУ ТП, из выражения ЯЗУ получаем Язу — 1 Яц Следовательно, учитывая сопротивления растеканию горизонтальных проводников и реальные расстояния между ТП, использование КЗУ позволяет перейти на сооружение ненормируемых выравнивающих контуров на каждой ТП

Разработаны методы проектирования заземляющих устройств электроустановок, сооружаемых в условиях вечной мерзлоты вблизи железной дороги, с использованием рельсового пути и других естественных заземлителей, а также при значительном удалении электроустановок от рельсового пути

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Разработаны новые электротехнические комплексы полной заводской готовности для комплектно-блочных тяговых подстанций постоянного и переменного тока, а также трансформаторных подстанциям 35 и 10 кВ (в том числе для северной строительной зоны) Годовой экономический эффект от внедрения 20 КБТП (без учета эффекта от повышения надежности электроснабжения тяги) составляет 146 млн 223 тыс руб (в ценах 2005 г)

2 Разработаны варианты технологии монтажа комплектно-блочных тяговых и трансформаторных подстанций на строительной площадке, учитывающие различия в выполнении подстанций, а также возможности строительных и монтажных организаций

3 Разработано и исследовано новое разрядное устройство шунтирования реактора подстанции постоянного тока, существенно облегчающее работу быстро-

действующих выключателей и повышающее надежность электроснабжения тяги

4 Исследованы методы настройки быстродействующих выключателей и реле-дифференциального шунта РДШ-1 на токи уставки и показаны пути повышения точности настройки

5 Разработаны, исследованы и внедрены способ и устройство точной настройки на токи уставки быстродействующих выключателей и реле-дифференциальных шунтов

6 Проведены сравнительные исследования характеристик лучших быстродействующих выключателей (отечественного 2хВАБ-49-3200/30-Л производства «УЭТМ» и GE Rapid 4207, 2x4, Германия) с использованием компьютерной математики (Maple 9,5) и разработаны рекомендации по применению рассмотренных выключателей

7 Разработана и исследована новая схема тяговой подстанции переменного тока с упрощенным распределительным устройством РУ-27,5 кВ, предназначенной для электрифицированных участков без движения тяжеловесных поездов и малодеятельных участков

8 Дано обоснование целесообразности и возможности применения однополюсных выключателей на трехфазных присоединениях ЗРУ-27,5 кВ

9 Доказано, что применение однополюсных выключателей на трехфазных присоединениях позволяет снизить стоимость РУ-27,5 кВ и в то же время повысить уровень унификации и надежность тяговой подстанции переменного тока

10 Проведены широкомасштабные экспериментальные исследования на трассе БАМ (совместно с ОмИИТом) сопротивлений растеканию в периоды наибольшего оттаивания и набольшего промерзания фунтов а) искусственных и комбинированных (искусственных в сочетании с естественными) заземляющих устройств, б) фундаментов опор ВЛ 10+35 кВ, установленных в теле земляного полотна, а также на территориях мерзлотных станций ЦНИИСа, в) отдельных свай, в том числе с битумным покрытием, и свайных фундаментов, г)рельсового пути,

в результате экспериментальных исследований установлено

11 Использование рельсового пути (с дроссель-трансформаторами) в качестве естественного заземлителя ВЛ 10+35кВ, ТП-10кВ и других электроустановок

позволило получить значительный эффект в снижении заграт на сооружение ЗУ, составляющий на неэлектрифицированных участках БАМЖД (2900 км) 2 млрд 132 млн 761,5 тыс руб (в ценах 2005 г)

12 Использование комбинированного (группового) заземляющего устройства ТП в поселках на трассе БАМЖД позволило получить экономический эффект 1млрд 337млн руб (в ценах 2005 г )

13 Проведены экспериментальные исследования переходных и установившихся режимов при однофазных замыканиях на землю в сетях нетягового электроснабжения 35 кВ Произведена оценка параметров заземляющих устройств в указанных режимах и подтверждена правильность разработок и принятых решений в части выбора параметров заземляющих устройств

14 Противопучинные устройства опор ВЛ не оказывают существенного влияния на сопротивления растеканию фундаментов этих опор Величины указанных сопротивлений превышают сопротивления растеканию свай больше чем на порядок,

15 Разработаны алгоритм и программа расчета установившегося режима и переходного процесса при однофазном замыкании на землю в сети нетягового электроснабжения (СНЭ) с изолированной нейтралью, позволяющие определять на стадии проектирования и в условиях эксплуатации параметры режимов работы защитных устройств (включая ЗУ) при ОЗЗ

16 Разработаны методы проектирования заземляющих устройств электроустановок, сооружаемых в условиях вечной мерзлоты вблизи железной дороги, с использованием рельсового пути и других естественных заземлителей, а также при значительном удалении электроустановок от рельсового пути

ПО МАIЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ

1 Дарчиев С X , Белов Л Ф Устройства электроснабжения электрической тяги -Железнодорожный транспорт, 7, 1975 С 88-93

2 Дарчиев С X , Косов Ю Н Индустриализация монтажа тяговых подстанций Тезисы доклада на Всесоюзной научно - технической конференции «Проблемы строительства БАМ», М , ЦНИИС, 1979 г 0,1 п л

3 Дарчиев С X , Косов Ю Н Методические указания по прогреву постоянным током силовых масляных трансформаторов на напряжение 110-220 кВ ЦНИИС, 1979 -30 с.

4 Рельсовый путь как естественный заземлитель / Дарчиев С X , Королев О JI, Косарев Б И , Косолапов Г Н.-Транспортное строительство, №1,1978г, с 39-41

5 Дарчиев С X , Прохоров В А , Косов Ю Н Временное руководство по прокладке и монтажу кабелей СЦБ и связи в условиях БАМ. - М Транспорт, 1978 -48 с

6 Дарчиев С X Особенности учета сопротивлений системы внешнего электроснабжения и понижающих трансформаторов тяговых подстанций Сборник научных трудов ЦНИИСа, вып 105, 1977 г С 88-95

7 Косарев Б И , Косолапов Г Н , Дарчиев С X Заземление устройств электроснабжения БАМ Электрическая и тепловозная тяга (Локомотив), №10,1980, с 46-47

8 Дарчиев С X , Косарев Б И , Косолапов Г Н Заземление железнодорожных электроустановок на трассе Байкало-Амурской магистрали Реф сб «ВПТИТРАНССТРОЯ», №2, 1981, с 11-13

9 Дарчиев С X, Гринблат И С Индустриальные методы строительства тяговых и трансформаторных подстанций и устройств продольной емкостной компенсации на тяговых подстанциях переменного тока Тезисы докладов на Всесоюзном семинаре «Опыт строительства электрифицированных участков ж д линий», г Минск, 27-31 июля 1981 г, ВПТИТРАНССТРОЙ, 1981 с 27-30

10 Косарев Б И , Косолапов Г Н , Дарчиев С X Заземление устройств железнодорожного электроснабжения на участках БАМ районов вечной мерзлоты Сборник докладов и сообщений на расширенном заседании секции IV Научного совета АН СССР по комплексной проблеме "Научные основы электрофизики и электроэнергетики" на тему "Теоретические и электрофизические проблемы растекания токов в мощных заземляющих устройствах в многолетнемерз-лых грунтах Крайнего Севера", 23-26 ноября 1982 г., Норильск Сборник научных трудов НВИИ, Норильск, 1982, с 130-131

11 Дарчиев С X, Косарев Б И , Косолапов Г Н Проектирование заземляющих устройств С 144-176 //В кн Устройства электрификации и продольного электроснабжения Монография/В П Шурыгин, А П Чучев, Л Ф Белов и др , Под редакцией Д И Федорова -М Транспорт, 1982 -263 с

12 Дарчиев С X , Гринблат И С , Косов Ю Н Руководство по производству пусконаладочных работ на тяговых подстанциях М ЦНИИС, 1985 320с.

13 Методические рекомендации по проектированию заземляющих устройств железнодорожных электроустановок в районах вечной мерзлоты / Дарчиев С X , Косарев Б И , Косолапов Г Н , Картавцев АС и др, М ЦНИИС, 1985 -125с

14 Дарчиев С X , Косарев Б И , Гуров В В Защита человека от злектропора-жения в сети с изолированной нейтралью нетягового электроснабжения при больших удельных сопротивлениях грунтов М, Деп в ЦНИИТЭИ МПС, №3456,1985 - 11с

15 Сооружение трансформаторной подстанции из цельноформованных железобетонных блоков / Гринблат И С , Дарчиев С X , Мориц Э Я , Малахин БН М ВПТИТРАНССТРОЙ «Прогрессивные методы и конструкции при электрификации железных дорог», вып 2,1985, с 8-25

16 Пешков П Г , Шурыгин В П , Дарчиев С X Специальные нормы и технические условия на проектирование и строительство железных дорог на полуострове Ямал ВСН 203-85 ДСП. М ЦНИИС,1986 -27с

17 Дарчиев С X, Севастьянов В Л , Антропова Е А Пособие по оценке качества электромонтажных работ при монтаже тяговых подстанций

М ЦНИИС,1987 -34с

18 Дарчиев С X, Мориц Э Я , Косов Ю Н Монтаж, испытание и наладка силовых трансформаторов тяговых подстанций М ВПТИТРАНССТРОЙ, 1988, ,Экспресс- информация, вып 1, серия «Строительство и электрификация ж д , СЦБ и связи» -28с

19 Программа достижения мирового уровня в области электрификации железных дорог, сооружения устройств СЦБ и связи / Дарчиев С X , Асс Э Е , Белов Л Ф , Орел А А , Чучев А П Тезисы доклада научно - техн конференции «Актуальные проблемы проектирования и строительства электрифицированных железных дорог» М ЦНИИС, 18-20 мая 1988 г

20 Дарчиев С X , Косов Ю Н Индустриальные методы монтажа и наладки электрооборудования тяговых подстанций с использованием передвижных технологических комплексов Тезисы доклада научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и строительства электр, ж д», М , ЦНИИС, 18-20 мая 1988 г

21 Дарчиев С X , Прохоров В А , Гуров В В Натурные экспериментальные исследования защитных устройств ВЛ 35 кВ БАМ Тезисы доклада к научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и строительства электр ж д », М , ЦНИИС, 18-20 мая 1988 г

22 Дарчиев С X , Косарев Б И , Гуров В В Защита от электропоражения при однофазном замыкании на землю в трехфазной сети с изолированной нейтралью Вестник ВНИИЖТа, №6, 1988 с 22-25

23 Дарчиев С X , Косарев Б И , Мориц Э Я Устройства электроснабжения Байкало- Амурской магистрали Монография М Транспорт, 1989 -176с

24 Дарчиев С X Заземляющие устройства электроустановок в районах БАМ

С 34-35 Тезисы докладов на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Перспективные технические средства обеспечения электробезопасности в промышленности», 11-13 октября 1989 г в г Севастополе, ВНТО энергетиков и электро техников им Академика Г М Кржижановского, Центральное и Крымское правления Л Типография ВНИИГ им Веденеева, 1989 -138с

25 Дарчиев С X , Косарев Б И , Гуров В В Алгоритм и программа «Расчет переходного и установившегося режимов при однофазном замыкании на землю в сети нетягового электроснабжения» М ГОСФАП, 1989 №50890000248

26 Дарчиев С X Заземление трансформаторных подстанций в условиях БАМ //В кн Совершенствование электротехнических устройств железнодорожного транспорта и повышение надежности их работы Межвузовский сборник научных трудов Под общей редакцией д-ра техн наук проф Б И Косарева Выпуск 819, с 69-77 -М МИИТ, 1990 -Вып 819 -151с

27 Дарчиев С X Технологический комплекс по монтажу и формовке свинцово-кислотных аккумуляторных батарей - Транспортное строительство, 12/1990,

с 10-11

28 Перетрухин Н А , Дарчиев С X , Косарев Б И Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты ВСН 61-89 - М ВПТИТРАНССТРОЙ, 1990 -208с

29 Дарчиев С X , Гуров В В Расчет процесса однофазного замыкания на землю в сети нетягового электроснабжения, с 36-43 // В кн . Методы расчета и конструкции устройств электрификации железных дорог Сб науч трудов ЦНИИСа -М ЦНИИС, 1991

30 .Дарчиев С X , Косов Ю Н Индустриализация технологии монтажа электрооборудования тяговых подстанций, с 83-87 // В кн. Методы расчета и конструкции устройств электрификации железных дорог Сб научных трудов ЦНИИС -М ЦНИИС, 1991 С 83-87

31 Дарчиев С X , Шурыгин В П , Белов Л Ф и др Нормы по производству и приемке строительных и монтажных работ при электрификации железных дорог (Устройства электроснабжения) ВСН 12-92 -М ПКТИ транспортного строительства, 1992 -185с

32 Дарчиев С X Концепция комплектно-блочного строительства тяговых подстанций Тезисы докладов на Второй международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития ж д транспорта», Россия, Москва, 24-25 сентября 1996 г Т 1, МГУПС, с 151

33 Дарчиев С X Разработка индустриальных методов строительства и монтажа электроподстанций - Энергосбережение и водоподготовка" Российской Академии промышленной экологии (РАПЭ), №3, 1997, с 53-55

34 Дарчиев С X , Солдатов В Л Модульные электроподстанции полной заводской готовности - Транспортное строительство, №5,1999 с 16—17

35 Дарчиев С X Комбинированные заземляющие устройства железнодорожных электроустановок, сооружаемых в северной строительной зоне М Вестник МИИТа, вып 3, 2000, с 17-23

36 Дарчиев С X Совершенствование схемы распределительного устройства РУ-27,5 кВ тяговой подстанции переменного тока М Вестник МИИТа, вып 3,2003, с 56-62

37 Дарчиев С X Влияние разрядных устройств на работу быстродействующих выключателей тяговых подстанций постоянного тока Тезисы докладов на Втором международном симпозиуме "Екгапэ' 2003", 21 -24 октября 2003 г, С - Петербург, Россия с 75-76

38 Пупынин В Н , Дарчиев С X идр Применение однополюсных выключателей на трехфазных присоединениях РУ- 27,5 кВ Тезисы докладов на Втором международном симпозиуме "ЕИгапэ' 2003", 21 -24 октября 2003 г, С - Петербург, Россия с 68 - 69

39 Дарчиев С X Тяговое электроснабжение /Большая энциклопедия транспорта в восьми томах Том 4 «Железнодорожный транспорт», раздел "Электрификация и электроснабжение транспорта", с 633-639 -М Научное издательство "Большая Российская энциклопедия", 2003 -1040с

40 Пупынин В Н , Дарчиев С X , Бурков А Т и др Применение однополюсных выключателей на трехфазных присоединениях ЗРУ-27,5 кВ /Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте Материалы Второго международного симпозиума "Екгапз'2003",21-24 октября 2003 года, ПГУПС, Санкт-Петербург, с 269-277 -С -Пб ПГУПС, 2003 -500с

41 Дарчиев С X Заземление и молниезащита пунктов группировки на станциях стыкования дорог постоянного и переменного тока Тезисы докладов на Третьем международном симпозиуме "Еигапз'2005", 15-17 ноября 2005 г Санкт- Пе тербург, Россия, с 63-64 /Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на железнодорожном транспорте -С-Пб ПГУПС, 2005 -157с

42 Дарчиев С X , Трегубов С В Комплектно-блочные тяговые и трансформаторные подстанции - Железнодорожный транспорт, № 6, 2005 С 52-53

43 Дарчиев С X , Поликарпов О И Проект капитального ремонта РУ 0,4 кВ на понизительной подстанции П-915 ст «Чкаловская» Московского метрополитена / Труды научно-практической конференции Неделя науки-2005 "Наука-транспорту" -М МИИТ2005 С XIII-13 - XIII-14

44 Дарчиев С X , Тимощук С А Новые технические решения по источникам оперативного постоянного тока тяговых подстанций электрических железных дорог / Труды научно-практической конференции Неделя науки-2005 "Наука-транспорту" -М МИИТ2005 С XIII-8 - XIII-9

45 Пупынин В Н , Дарчиев С X Сравнение фидерных выключателей постоянного тока 2хВАБ-49-3200/30-Л и GE Rapid 4207 2x4 - Железные дороги мира, № 5, 2006, с 64-71

46 Ас №918130 По заявке №2874428 от 11 01 1980 Устройство для настройки быстродействующих автоматических выключателей /Дарчиев С X , Косов Ю Н и Прохоров В А - Опубл 07 04 1982 Бюл № 13

47 А с № 807439 По заявке №2707238 от 28 12 1978 Система электроснабжения линейных потребителей неэлектрифицированных железных дорог/ Косарев Б И , Дарчиев С X и Наумов А В - Опубл 23 02 1981 Бюл №7

48 Ас № 104133, по заявке №3431626 от 27 04 1982 Устройство для подключения отсоса тяговой подстанции железных дорог/Косарев Б И , Бычков АН и Дарчиев С X - Опубл 15 09 1983 Бюл №34

49 Ас № 1235767 По заявке №3751212 от 28 03 1984 Способ определения переходного сопротивления рельсы-земля на участках протяженных тоннелей/Косарев Б И , Дарчиев С X , Косарев А Б и Котельников А В - Опубл. 07 06 1986 Бюл № 21

50 Ас №1400415, ДСП, Зарегистрировано в Госреестре изобретений СССР 01 02 1988 По заявке №3976315 от 18 11 1985 Система электроснабжения нетяговых потребителей магистральных железных дорог/Дарчиев С X, Косарев Б И и Гуров В В

51 А с №1399850, По заявке №4110933 от 25 08 1986 Устройство для защиты человека от поражения электрическим током в сети с изолированной нейтралью/Дарчиев С X , Косарев Б И , Дудин Б А и Гуров В В - Опубл 30 05 1988 , Бюл №20

52 А с № 1603444 По заявке №4466887 от 28 07 1988 Узел проходного изолятора/ Косов Ю Н , Дарчиев С X и Несель Я С - Опубл 30 10 1990 Бюл №40

53 А с №1624573 По заявке №4466414 от 28 07 1988 Шкаф комплектного распределительного устройства/Дарчиев С X , Косов ЮН и Несель Я С -Опубл 30 01 199 Бюл №34

54 А с №1636870 По заявке №4456787 от 28 06 1988 Способ прогрева силового масляного трансформатора/Косов Ю Н , Дарчиев С X и Никитин ЮМ -Опубл 23 03 1991 Бюл №11

55 Ас №1656629 По заявке №4622453 от 21 12 1988 Устройство для защиты человека от поражения электрическим током в сети с изолированной нейтралью/Дарчиев С X , Косарев Б И , Дудин Б А и Гуров В В - Опубл 01 06 1991 Бюл №22

56 Патент РФ на изобретение «Тяговая подстанция» № 2111594 Приоритет от 11 10 1996 /Дарчиев С X , Пупынин В Н , Солдатов В Л Мизинцев А В , Нечаев А Г и Юшкевич А П - Опубл 20 05 98 Бюл № 14

57 Патент РФ на изобретение № 2111595 «Комплектно-блочная трансформаторная подстанция» Приоритет от 11 10 1996 г /Дарчиев С X , Клигман М В , Соддатов В Л , Позин В А , Мунькин В В и Мизинцев А.В - Опубл 20 05 98 в Бюл № 14.

58 Патент РФ на изобретение № 2115990 «Тяговая подстанция постоянного тока» /Дарчиев С X , Пупынин В Н , Солдатов В Л - Опубл 20 07.98 Бюл № 20

59 Патент РФ на изобретение № 2115216 «Модуль комплектно-блочной электроподстанции» /Дарчиев С X , Солдатов В Л., Клигман М В , Нечаев А Г и Тучин В Н - Опубл 10 07 98 Бюл №19

60 Патент РФ на изобретение № 2139203 «Пост секционирования контактной сети (варианты) /Дарчиев С X , Пупынин В Н , Солдатов В Л , Цернант А А -Опубл 10 10 99 Бюл № 28

61 Свидетельство на полезную модель № 16226 «Тяговая подстанция переменного тока» /Дарчиев С X , Пупынин В Н , Солдатов В Л - Опубл 10 12 2000 Бюл №34

62 Патент РФ на полезную модель № 42356 Приоритет 12 июля 2004 г Разрядное устройство для шунтирования реактора тяговой подстанции постоянного тока/Дарчиев С X , Пупынин В Н - Опубл 27 11 2004 Бюл № 33

63 Патент РФ на полезную модель № 55221 Приоритет 25 августа 2005 г Устройство питания контактной сети электрической железной дороги постоянного тока /Пупынин В Н , Дарчиев С X - Опубл 27.07 2006 Бюл №21

64 Патент РФ на полезную модель № 57972 Приоритет 26 05 2006 г Б И №30, 2006 г Устройство питания цепей оперативного постоянного тока тяговых подстанций/Дарчиев С X

65 Патент РФ на полезную модель № 57983 Приоритет 14 08 2006 г

Б И № 30, 2006 г Устройство продольной емкостной компенсации на посту секционирования переменного тока/Дарчиев С X

Личный вклад. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателем выполнено следующее сформулированы цель и задачи исследования, предложены и обоснованы технические решения по системам и устройствам железнодорожного электроснабжения, выполнены экспериментальные исследования (в том числе натурные) [1, 2, 4, 5,7, 8, 9, Ю, 14, 15, 17, 19, 21, 42, 43, 44], выполнено математическое моделирование систем и устройств электроснабжения тяги и нетяговых потребителей (включая северную зону), выполнены компьютерные исследования на моделях, сформулированы выводы [14, 22, 25, 29, 34, 38, 40, 45], выполнено математическое моделирование методов монтажа и наладки, проведены натурные испытания и на их основе разработаны эффективные методы монтажа и наладки электрооборудования тяговых подстанций [3, 12, 13, 15, 18, 20, 30,31], разработаны и внедрены на трассе БАМЖД методы проектирования заземляющих устройств ВЛ 10+35кВ, ТП и других железнодорожных электроустановок (в том числе удаленных от рельсового пути)[11,13,16,23,28]

Во всех изобретениях, опубликованных в соавторстве, кроме [63], соискателем выполнено формирование идеи, формулирование основных признаков и составление формулы изобретения В [63] соискателем предложены технические решения по защите от к з в тяговой сети

ДАРЧИЕВ Сергей Харитонович

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ТЯГОВЫХ И ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ (ТЕОРИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВНЕДРЕНИЕ)

05 09 03 - Электротехнические комплексы и системы

Подписано к печати ¿^Формат бумаги 60x90/16 Объем печ л^Р

Заказ № Тираж /ИР экз

Типография МИИТ, 127994 г Москва, ул Образцова, 15

ВВЕДЕНИЕ

1. ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ СООРУЖЕНИЯ И МОНТАЖА ТЯГОВЫХ И ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ

1.1. Общие положения

1.2. Состояние индустриализации сооружения и монтажа тяговых подстанций на зарубежных электрических железных дорогах

1.3. Анализ опыта сооружения отечественных комплектных тяговых подстанций

1.3.1. Конструкции и схемы тяговых подстанций

1.3.2. Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования тяговых подстанций

1.3.3. Исследование тепловлажностного режима в блоках распределительных устройств

1.4.Анализ опыта сооружения и монтажа трансформаторных подстанций 1 10-220 кВ для питания нетяговых потребителей

1.5. Выводы

2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМПЛЕКТНО-БЛОЧНЫХ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

2.1. Предпосылки для создания комплектно - блочных тяговых подстанций

2.2. Концепция создания комплектно-блочных тяговых подстанций

2.3. Вторичные устройства постоянного тока

2.3.1. Состояние вопроса

2.3.2. Тенденции развития схемотехники и конструкций аппаратуры АУЗС в отечественной и зарубежной энергетике в период с 1975 года и до 1991 г.

2.3.3. Проблема защиты электронной аппаратуры подстанций от помех

2.3.4. Экспертный анализ вариантов размещения устройств автоматики, управления, защиты и сигнализации на тяговых подстанциях

2.4. Источники питания вторичных устройств тяговых подстанций повышенной экологической чистоты

2.4.1. Постановка вопроса

2.4.2. Методика выбора аккумуляторной батареи для комплектно-блочной подстанции

2.5. Тепловой расчет модуля комплектно-блочной подстанции

2.5.1. Теплопотери через ограждающие конструкции

2.5.2. Выбор режима нагрева, исключающего росообразования внутри модулей

2.6. Внедрение комплектно-блочных тяговых подстанций постоянного тока

2.7. Монтаж модулей электротехнических комплексов для тяговых подстанций на строительной площадке

2.7.1. Общие положения

2.7.2. Условные обозначения на технологических схемах вариантов I-VI

2.7.3.Варианты применения грузоподъемных кранов для монтажа модулей

Основным направлением научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте является электрификация железных дорог, позволяющая комплексно решать вопросы повышения эффективности работы транспорта и электроснабжения прилегающих районов. На долю электрифицированных линий, протяженность которых составляет около 50% общей протяженности отечественных железных дорог, приходится около 84% перевозок, выполняемых железнодорожным транспортом.

Наряду с устройствами электроснабжения электрифицированных железных дорог значительное место в комплексе железнодорожного электроснабжения занимают системы и устройства электроснабжения нетяговых потребителей на неэлектрифицированных участках, масштабы сооружения которых возросли в связи с освоением северных районов страны. При этом необходимость электропитания железнодорожных нетяговых потребителей, а также поселков на станциях и разъездах приводит к усложнению схемы питания и росту протяженности гальванически соединенных линий передачи, что вызывает трудности в обеспечении надежного электроснабжения, влияющего на бесперебойную работу транспортного конвейера. При этом также сильно усложняется решение вопроса обеспечения электробезопасности обслуживания устройств электроснабжения.

Наряду с сооружением электроустановок на вновь электрифицируемых участках железных дорог в последнее десятилетие проводятся масштабные работы по реконструкции тяговых подстанций, так как значительная часть из находящихся в эксплуатации 1388 подстанций, из которых 447 переменного тока, либо выработала свой срок, либо эксплуатируется с морально устаревшим электрооборудованием. Исключительно быстрыми темпами развивались системы и устройства железнодорожной электроэнергетики. К настоящему времени в эксплуатации находится около 49000 трансформаторных подстанций и 124000 км высоковольтных линий нетягового электроснабжения. При этом в северной зоне получили применение системы и устройства напряжением 35 кВ. Как показал опыт строительства Байкало - Амурской железнодорожной магистрали, сооружение электроустановок в условиях многолетнемерзлых грунтов требует значительных трудовых и денежных затрат. В частности, сметная стоимость сравнительно небольшой мощности трансформаторной подстанции ТП-2x6300/35/10/0,4 кВ, предназначенной для питания железнодорожных нетяговых потребителей (в том числе особой группы электроприемников первой категории) составляет. 6,263 млн. рублей в ценах 2002 г. При этом стоимость здания составляет 2 млн. руб., оборудования и материалов - 4,043 млн. руб. и электромонтажных работ - 0,22 млн. руб., а сроки ввода в действие подстанции составляют не менее одного года. Реализация такой подстанции в комплектно-блочном исполнении, как показано в диссертационной работе, позволяет, только за счет снижения стоимости подстанции, получить экономию в 1,5 млн. рублей и сократить сроки ввода в действие в 7 - 9 раз. К этому следует добавить, что все другие экономические эффекты (снижение затрат на социальную инфраструктуру для строительно-монтажного и эксплуатационного персонала, возможность сооружения трансформаторной подстанции в полосе отвода железной дороги, обеспечение экологической чистоты и др.) также в пользу комплектно-блочных подстанций.

Проблемам создания и развития более совершенных систем и устройств электроснабжения железнодорожного транспорта, методам их проектирования посвящено большое количество работ отечественных ученых Бадёра М.П.[56], Белова В.В.[58], Бочева А.С.[166], Буркова А.Т.[141,155], Бородулина Б.М.[164], Власова С.П.[190], Германа

JI.А.[164, 165], Добровольскиса Т.П.[48], Дынькина Б.Е.[247, 248], Жаркова Ю.И.[161-63], Карякина Р.Н.[209, 224, 225], Косарева Б.И.[61, 187, 189, 192, 198, 221, 226, 227, 230, 236, 241-246, 251, 252], Котельникова А.В.[243], Косарева А.Б.[57], Марквардта К.Г.[104], Мамошина P.P.[6], Мизинцева А.В.[49, 50, 86], Овласюка В.Я.[58], Пупынина В.Н.[6, 126, 128, 130, 131, 132, 141, 149, 155, 156, 158, 159], Сухопрудского Н.Д.[134], Фигурнова Е.П.[160, 162, 163], Чернова Ю.А.[253] и др.

Однако многие задачи в этой области не были решены: не были созданы экономичные и надежные электротехнические комплексы полной заводской готовности для тяговых и трансформаторных подстанции; в связи со строительством Байкало-Амурской магистрали и освоением северной строительной зоны стала особенно актуальна проблема электробезопасности обслуживания линий нетягового электроснабжения на неэлектрифицированных участках, сооружаемых в теле земляного полотна, и трансформаторных подстанций, сооружаемых на значительном удалении от рельсового пути.

Объектом исследования в диссертации является комплекс устройств системы тягового электроснабжения, в первую очередь тяговые подстанции, а также железнодорожных нетяговых потребителей на неэлектрифицированных участках, в первую очередь трансформаторные подстанции и линии продольного электроснабжения, сооружаемые в северной строительной зоне. Развитие и широкое внедрение прогрессивных систем тягового электроснабжения, методов обслуживания тяговых и трансформаторных подстанций пришло в противоречие со способами их сооружения и монтажа. В электроснабжении нетяговых потребителей требуют разработки качественно новых систем и технических решений, позволяющих повысить надежность функционирования трансформаторных подстанций и линий электропередачи. В силу этого предмет исследования - совместное изучение технического и технологического аспектов развития тяговых и трансформаторных подстанций, а также систем и устройств электроснабжения нетяговых потребителей с учетом функционирования их в условиях эксплуатации.

Решение проблемы совершенствования методов строительства и монтажа устройств железнодорожного электроснабжения связано с техническим перевооружением устройств электроснабжения, а также с разработкой и внедрением более совершенных технологий, обеспечивающих высокое качество работ и повышение производительности труда на строительных площадках.

Основным направлением технического прогресса в области сооружения, монтажа и наладки устройств электроснабжения является повышение заводской готовности узлов и элементов электроустановок (тяговых и трансформаторных подстанций) с производством большинства работ по их изготовлению на заводах, чтобы на строительных площадках выполнять только установку и монтаж укрупненных узлов.

Разработка новых технических и технологических решений для тяговых и трансформаторных подстанций и линий нетягового электроснабжения, включая заземляющие устройства электроустановок, на неэлектрифицированных участках железной дороги особенно актуальна при производстве работ в северной строительной зоне. Объясняется это трудностями при строительстве и монтаже электроустановок, обусловленными сложными инженерно-геологическими и суровыми климатическими условиями, а также значительным рассредоточением большого числа средних и мелких устройств железнодорожного электроснабжения, расположенных не только вблизи железной дороги, но и на значительном удалении от нее.

Наиболее эффективным методом сооружения, монтажа и наладки подстанций является комплектно-блочный метод (КБМ), в основу которого положен принцип агрегатирования оборудования, строительных конструкций, изделий, деталей и образования строительно-технологических комплексов полной заводской готовности, называемых в дальнейшем электротехническими комплексами. При этом подстанция на строительной площадке сооружается из электротехнических комплексов различного назначения, работы по изготовлению которых (включая наладку) осуществляют в наиболее благоприятных условиях на предприятиях-изготовителях.

С учетом отмеченного выше укажем еще на одно важное обстоятельство, обусловливающее необходимость создания электротехнических комплексов полной заводской готовности. Речь идет о надежности электроустановки (подстанции). При традиционной технологии и приемлемых затратах сложно обеспечить конструктивную надежность электрооборудования и электроустановок, что отрицательно сказывается на их надежности в условиях эксплуатации. Для доказательства этого утверждения достаточно сравнить условия производства работ на линейных объектах (квалификация строительного и электромонтажного персонала, качество работ, климатические условия, проблемы сохранения характеристик оборудования, материалов и изделий и т.д.) с условиями на предприятиях-изготовителях электротехнических комплексов. Опыт 10 лет эксплуатации 18-20 комплектно- блочных тяговых подстанций, изготовленных и внедренных ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» на разных участках железных дорог, показал, что одной аварии на указанных подстанциях не было, т.е. их надежность существенно выше надежности аналогичных традиционных подстанций.

Соискатель рассматривает два варианта создания комплектно-блочных тяговых и трансформаторных подстанций. Первый вариант предусматривает сооружение и монтаж подстанций с использованием функциональных электротехнических комплексов РУ-27,5 и 35 кВ; РУ-ЮкВ; РУ-10кВ СЦБ; РУ-3,3 кВ; полупроводниковых выпрямителей (преобразователей); сглаживающего устройства; собственных нужд переменного и постоянного тока; аккумуляторной батареи; общепод-станционного пункта управления. Кроме перечисленных комплексов на подстанции предусматриваются производственный и бытовой комплексы для ремонтно-профилактического персонала. Подстанции автоматизированные и телемеханизированные без постоянного обслуживающего персонала. Второй вариант предусматривает сооружение и монтаж подстанций полностью из электротехнических комплексов. В работе показано, что на данном этапе экономически целесообразнее реализовать первый вариант. Именно он и реализован.

Изначально ставилась задача создать комплектно-блочные подстанции по первому варианту более надежные, чем традиционные. Для этого необходимо было изучить работу индустриально сооружаемых электроустановок, включая 8 отечественных комплектных тяговых подстанций постоянного тока, построенных на участке Уджары-Баку Азербайджанской ж.д.в 1969 г., сформулировать принципы создания электротехнических комплексов, определить задачи, которые необходимо решить в первую очередь, обосновать пути совершенствования технических и технологических решений. Рассмотрению перечисленных выше задач посвящена первая глава.

В главе I проанализирован период, охватывающий строительные, электромонтажные и пусконаладочные работы, а также 2,5 года эксплуатации 8 комплектных подстанций постоянного тока, построенных на участке Уджары-Баку Азербайджанской ж.д. При этом проводились не только наблюдения за работой комплектных подстанций и подстанций традиционного исполнения, находящихся на том же участке, но и инструментальные измерения тепловлажностных режимов, в которых работает электрооборудование.

Экспериментальные исследования позволили оценить характеристики ограждающих конструкций закрытых блоков-комплексов РУ-10 и 3,3 кВ и установленного в них оборудования. Из исследований вытекало, что принципы построения блоков - комплексов таковы, что в них невозможно обеспечить нормальную работу оборудования. Многочисленные аварии на комплектных подстанциях лучшее тому доказательство. Традиционные подстанции на том же участке работали значительно надежнее. Из 8 комплектных подстанций на 3 подстанции, расположенные вблизи Каспийского моря, приходится более 60% всех аварий.

Анализ производства электромонтажных и пусконаладочных работ показал, что для линейных организаций, в первую, очередь, необходимо разработать приемлемые методы и средства: а) прогрева силовых масляных трансформаторов; б) ускоренного приготовления элек-тролита;в)повышения точности калибровки быстродействующих выключателей.

Анализ зарубежного опыта сооружения тяговых подстанций и отечественного опыта сооружения трансформаторных подстанций 110(220)кВ не позволил добыть положительных идей. Объяснялось это тем, что если по характеристикам электрооборудования наша страна уступала зарубежным, то в области индустриализации железнодорожные электроустановки были еще впереди.

5.6. Выводы

Сформулируем кратко результаты исследований, изложенных в данной главе: а) Проведенными комплексными широкомасштабными экспериментальными исследованиями на трассе БАМ (совместно с ОмИИТом) сопротивлений растеканию искусственных и комбинированных (искусственных в сочетании с естественными) заземляющих устройств, фундаментов опор BJI 10+35 кВ, установленных в теле земляного полотна, а также на территориях мерзлотных станций ЦНИИСа, свай и рельсового пути в периоды наибольшего оттаивания и набольшего промерзания грунтов установлено впервые:

• входное сопротивление непрерывного рельсового пути (с дроссель-трансформаторами) не превышает 3-4 Ом в любое время года, следовательно, в условиях БАМ рельсовый путь является идеальным естественным заземлителем электроустановок;

• использование свайного фундамента в качестве заземлителя дает значительный эффект в снижении затрат на заземляющие устройства трансформаторных подстанций (ТП);

• объединение арматуры свайных фундаментов нескольких ТП (комбинированное заземляющее устройство) позволяет отказаться от сооружения искусственных нормируемых заземляющих устройств ТП и, с учетом сопротивления растеканию соединительных проводников, перейти на сооружение ненормируемых выравнивающих контуров на каждой ТП;

• противопучинные устройства опор BJI (контактной сети) в условиях максимального оттаивания грунта не оказывают существенного влияния на сопротивления растеканию фундаментов этих опор. При максимальном промерзании грунта сопротивления растеканию фундаментов возрастают более чем на один-два порядка. При этом величины указанных сопротивлений превышают сопротивления растеканию свай более чем на порядок. б) Разработанные алгоритм и программа расчета установившегося режима и переходного процесса при однофазном замыкании на землю в сети нетягового электроснабжения (СНЭ) с изолированной нейтралью позволяют оценивать эффективность защитных устройств при 033 на стадии проектирования и в условиях эксплуатации сетей. в) Разработаны методы проектирования заземляющих устройств электроустановок, сооружаемых в условиях вечной мерзлоты вблизи железной дороги, с использованием рельсового пути и других естественных заземлителей, а также при значительном удалении электроустановок от рельсового пути; г) Предложенные теоретические обобщения и технические решения охватывают основной комплекс вопросов, без разработки которых не представляется возможным решить проблему обеспечения электробезопасности обслуживания в северной строительной зоне линий нетягового электроснабжения и трансформаторных подстанций ( в том числе при значительном удалении их от рельсового пути); д) Реализация разработок на БАМе только по проектам ОАО «Мос-гипротранс», как показано выше, позволила получить значительный экономический эффект.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный автором комплекс исследований позволил решить ряд теоретических задач, связанных с созданием новых надежных и технологичных чистых электротехнических комплексов полной заводской готовности для тяговых подстанций систем постоянного и переменного тока, и трансформаторных подстанций для питания нетяговых потребителей, а также заземляющих устройств железнодорожных электроустановок, сооружаемых в северной строительной зоне (на примере БАМ).

В работе получены следующие основные результаты:

1. Предложена концепция создания надежных и технологичных комплектно- блочных тяговых и трансформаторных подстанций (в том числе для северной строительной зоны) с применением электротехнических комплексов, включающих в себя все устройства напряжением до 35 кВ включительно.

2. Разработаны новые технические решения по электротехническим комплексам полной заводской готовности для тяговых подстанций постоянного и переменного тока, а также трансформаторных подстанций 35 и 10 кВ (в том числе для северных районов).

3. Обоснованы параметры ограждающих конструкций электротехнических комплексов, исключающих росообразования при их нагреве.

4. Разработаны варианты технологии монтажа электротехнических комплексов для тяговых и трансформаторных подстанций на строи> тельной площадке, учитывающие различия в конструктивном выполнении подстанций, а также возможности строительных и монтажных организаций.

5. Проведены теоретические и экспериментальные исследования методов настройки быстродействующих выключателей на токи уставки и показаны пути повышения точности настройки, а также разработано и исследовано новое устройство для точной настройки выключателей.

6. Разработана методика выбора аккумуляторных батарей для тяговых подстанций с использованием аккумуляторов зарубежных фирм, в частности «Норреске», имеющих разрядные характеристики, существенно отличающиеся от аналогичных характеристик отечественных аккумуляторов.

7. Разработано новое устройство питания цепей оперативного постоянного тока тяговых подстанций, поддерживающее автоматически емкость аккумуляторной батареи близкой к номинальной.

8. Разработаны рекомендации по применению методов прогрева силовых масляных трансформаторов при их монтаже и испытаниях, в том числе в условиях эксплуатации. Метод прогрева постоянным током рекомендован для контрольного прогрева трансформаторов перед измерением его изоляционных характеристик, а также для подсушки его изоляции. Метод индукционных потерь рекомендован, в основном, для сушки изоляции трансформатора в собственном баке.

9. Разработана методика расчета минимального времени приготовления кислотного электролита для аккумуляторных батарей тяговых подстанций.

10. Разработано (в соавторстве с профессором В.Н. Пупыниным) и исследовано новое разрядное устройство шунтирования реактора подстанции постоянного тока с использованием компьютерной математики (Maple 9.5). Показано, что оно существенно облегчает работу быст родействующих выключателей при к.з на всей фидерной зоне. Разрядное устройство изготовлено ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» для применения на тяговых подстанциях постоянного тока взамен существующего разрядного устройства типа УР-2.

11. Проведены сравнительные исследования характеристик (совместно с профессором В.Н. Пупыниным) лучших быстродействующих выключателей (отечественного 2хВАБ-49-3200/30-Л производства «УЭТМ» и GE Rapid 4207, 2x4, Германия) с использованием компьютерной математики (Maple 9,5) и разработаны рекомендации по применению рассмотренных выключателей.

12. Дано обоснование целесообразности и возможности применения однополюсных выключателей на трехфазных присоединениях ЗРУ-27,5 кВ (совместно с профессором В.Н. Пупыниным). Это позволило повысить уровень унификации тяговой подстанции переменного тока.

13. Предложена (совместно с профессором В.Н. Пупыниным) усовершенствованная схема главных электрических соединений тяговой подстанции переменного тока с глухим заземлением фазы обмотки 27,5 кВ понижающего трансформатора и однополюсными выключателями на всех присоединениях РУ-27,5 кВ.

14. Проведены широкомасштабные комплексные экспериментальные исследования на трассе БАМ (совместно с ОмИИТом) сопротивлений растеканию искусственных и комбинированных (искусственных в сочетании с естественными) заземляющих устройств, фундаментов опор ВЛ 10+35 кВ, установленных в теле земляного полотна, а также на территориях мерзлотных станций ЦНИИСа, свай и рельсового пути в периоды наибольшего оттаивания и набольшего промерзания грунтов;

- в результате экспериментальных исследований установлено: • входное сопротивление непрерывного рельсового пути (с дроссель-трансформаторами) не превышает 3-4 Ом в любое время года, следовательно, в условиях БАМ рельсовый путь является идеальным естественным заземлителем электроустановок;

• использование свайного фундамента в качестве заземлителя дает значительный эффект в снижении затрат на заземляющие устройства трансформаторных подстанций (ТП);

• объединение арматуры свайных фундаментов нескольких ТП (комбинированное заземляющее устройство) позволяет отказаться от сооружения искусственных нормируемых заземляющих устройств ТП и, с учетом сопротивления растеканию соединительных проводников, перейти на сооружение ненормируемых выравнивающих контуров на каждой ТП;

• противопучинные устройства опор ВЛ (контактной сети) в условиях максимального оттаивания грунта не оказывают существенного влияния на сопротивления растеканию фундаментов этих опор. При максимальном промерзании грунта сопротивления растеканию фундаментов возрастают более чем на один-два порядка. При этом величины указанных сопротивлений превышают сопротивления растеканию свай более чем на порядок.

15. Разработана математическая модель и программа расчета установившихся и переходных процессов при однофазных замыканиях на землю в разветвленных протяженных сетях 35 кВ любой конфигурации. Программа позволяет выбирать проектировщикам и эксплуатационникам наиболее предпочтительные конфигурации сетей 35 кВ, анализировать условия электробезопасности при 033 и работу защитных устройств сетей.

16. Разработаны методы проектирования заземляющих устройств элек-► троустановок, сооружаемых в условиях вечной мерзлоты вблизи железной дороги, с использованием рельсового пути и других естественных заземлителей, а также при значительном удалении электроустановок от рельсового пути.

1. Баталии Ю.П. Комплектно-блочный метод строительства. - Вопросы экономики, 1980, № 5, с.23.

2. Брун А.И. Комплектно-блочный метод строительства в Миннефтегазстрое. -Энергетическое строительство. 1990, №1, с.44-46.

3. Шурыгин В.П., Чучев А.П., Дарчиев С.Х., Косарев Б.И. Устройства электри фикации и продольного электроснабжения. Под редакцией заслуженного Деятеля науки и техники РСФСР, д-ра техн. наук проф. Д.И.Федорова. М.: Транспорт, 1982.-263с.

4. Клигман М.В. Электроснабжение строительства Байкало-Амурской железнодорожной магистрали. М.: Транспорт, 1978. -1 Юс.

5. Андриенко В.Г.Основные пути развития комплектно- блочного метода строительства,- Промышленное строительство, 1988, №5, с.23.

6. Бей Ю.М., Мамошин P.P., Пупынин В.Н., Шалимов М.Г. Тяговые подстан ции. Учебник для студентов вузов ж. д. транспорта. М.: Транспорт, 1986. -319с.

7. Макаров О.Н., Мориц Э.Я. Электрификация железных дорог. Технология монтажа контактной сети и устройств автоматики и связи. М.: ТИМР, 1992. -182с.

8. Грубер Л.О. Технический прогресс в электрификации железных дорог. М.: Оргтрансстрой, 1972. -39с.

9. Справочник по электроснабжению железных дорог. В 2-х томах. Под ред. д-ра техн. наук К.Г.Марквардта. Т.2 -М.: Транспорт, 1981. -392с.

10. Унифицированные тяговые подстанции магистральных железных дорог по стоянного и переменного тока. Типовой проект. -М.: Трансэлектропроект, 1986.

11. Ратнер М.П., Могилевский Е.Л. Электроснабжение нетяговых потребителей железных дорог. -М.: Транспорт, 1985, -294с.

12. Концепция комплектно-блочного строительства тяговых подстанций. Тема Эл-91-2-437. Отчет, 105с. Руководитель и разработчик темы Дарчиев С.Х. ОАО ЦНИИС, 1991. Архив ОАО ЦНИИС, №11782.

13. Дарчиев С.Х. Концепция комплектно-блочного строительства тяговых под станций. Вторая международная научно-техническая конференция "Акту альные проблемы развития ж.д. транспорта". Тезисы докладов, C.151.-M.: МГУ ПС, 1996.

14. Louis Daulion. La traction eiectrique a grande vitesse. 2-les equipments electriques de la linge TGV Paris-Sud-Est. -Rev.gen.elec. 1081, 90, № 2, 88-93.

15. GEC wins BR 25 kV electrifiicatio contracts Mod.Railways. 1984,41, №427, 182.17