автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Исследование режимов работы элементов системы "рельс-обделка-земля" и повышение эффективности защиты от блуждающих токов на метрополитенах

)' ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

7 !и0(1

I ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ШУЧНО-ИССЛВДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ , _ ВДЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

БОНДАРЧУК Анатолий Владимирович

УДК 621.31?.3:625.4^621,316,9

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ "РЮГЬС-0БДЕЛКА-5Е!Ш" И ПОШШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ ОТ БЛУДДАЩИХ ТОКОВ НА 1ЩТОПОЛИТЕНАХ

05.22 09 - Электрификация железнодорожного »транспорта

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 1993 г,

Работа выполнена во Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте 'железнодорожного транспорта.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор КОТЕЛЬНИКОВ A.B. (БНИИЖТ) Официальные оппоненты - доктор технических наук

водоган В.А. (ВНИИ2Т), кандидат технических наук КУЗНЕЦОВ A.B. (ЦЭ МПС). Ведущая организация - Московски!} метрополитен

им. В.И.Ленина.

Защита состоится "ЗО" 1993 г. в час. &-G мин.

на заседании Специализированного совета Д 114.01.02 при Всероссийском науно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: I2905I, Москва, ул. 3-я Мытищинскся д. 10 в Малом конференц-зале института.

^ диссертацией мопно ознакомиться в библиотеке института.

^втореферат разослан 1993 г,

(|тзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять ую адресу совета института.

/

Учёный секретарь )

Специализированного совета //!

доктор технических наук/1 П.Т.Гребешок

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТУ

Актуальность проблемы. Метрополитены, являясь основным звеном в транспортном комплексе крупных городов, предназначены для решения проблемы массовых пассажирских перевозок. Эти предприятия имеют высокую стоимость строительства, большой нормативный срок службы и являются мощными энергоёмкими потребителя!,1ш, специфику которому придаёт система электроснабжения подвижного состава с неизбежным наличием токов утечки с рельсов и в силу этого с возможными электрокоррозионными воздействиями их на металлоконструкции основных сооружений.

И развитие бети метрополитенов и сетей подземных коммуникаций городов выдвигают проблему защиты этих сооружений от коррозии вообще и от электрокоррозии блуждающими токами в частности в число важнейших народохозяйственных задач. Поэтому, для решения этой проблемы действуют отраслевые и межотраслевые программы' на различных уровнях управления, постановления Совета министров республик, а также городских хозяйств, что подчёркивает должную заботу хозяйства за сохранность огромных материальных и трудовых.затрат, вложенных в подземные транспортные -и технические коммуникации.

Задача обеспечения надёжной работы метрополитенов и повышения долговечности их сооружений тесно связана с разработкой технических мероприятий по организации защиты от разрушительного воздействия блуждающих токов. А качественная разработка защитных мероприя-тип невозможна без должных исследований режимов работы' элементов системы, включённых в этот процесс.

[моделированию путей протекания блуждающих токов и расчётам . распределения токов и потенциалов в системе "рельс-обделка-земля-почземное сооружение" посвящены работы ряда учёных России^ стран ближнего и дальнего зарубежья. Однако, некоторые актуальные зада-

чи ь этой области не решены.

Так, на разработана методика расчёта и моделирования систем, включающих в себя такие элементы, как рельо, обделка, земля, подземное сооружение применительно к современным, удобным и быстродействующим вычислительным комплексам, не отработаны приёмы по расчёту токов и потенциалов е этих элементах, составляющих единую сложную пространственно-электрическую систему. Не достаточно исследованы различные схемы замещения этих систем с неоднородными параметрами, систем для двух линий метрополитенов с соединительной веткой мевду ними, влияние режима рекуперации поезда на распределение токов и потенциалов в элементах этой системы.

Не в полной мере решены вопросы локальных электрокоррозионных повреждений отдельных конструктивных элементов, которые специфичны для разных метрополитенов.

рТсутстЕ^ет. совершенное приборное обеспечение по контролю за электрокоррозионннм состоянием в постоянной эксплуатационной деятельности на метрополитенах.

Эти научно-технические задачи, решаемые в диссертации, являются взаимосвязанными в проблеме повышения Э(рективности защиты от блуждающих токов на метрополитенах.

Нелыо диссертационной работы является разработка вычислительного комплекса и программ, проведете на их основе исследований распределения токов и потенциалов в элементах системы "рельс-обделка-земля", значительно расширяющих представление о токорасп-ределении в них, подверженности электрокоррозионной опасности и эффективности защиты от коррозионных процессов на метрополитенах.

Методика исследований. Для достижения поставленной цели используется комплексный подход, включающий анализ построении схем замещения систем! "рольс-обдслка-земля", разработку енчислптоль-» ней процедуры расчёта их параметров и исследования г°жпг:ов рабо-

ты элементов этой системы метрополитена и связанных с ним коммуникаций.

Построение схем замещения основано на применении электрических сеточных моделей, составляющих взаимосвязанную совокупность элементов системы "рельс-обделка-земля-подземное сооружение".

Разработка вычислительного комплекса заполнена для современных персональных ЭБГ.1 с применением метода узловых потенциалов.

Дана сравнительная оценка расчёта параметров схем замещения методом физического моделирования и при помощи вычислительного комплекса.

Исследование режимов работы элементов системы РОЗ проводились по расчётным результатам выходных табуляграмм, а также по натурным измерениям на метрополитенах.

Научная новизна состои1'" в:

- разработке на основе метода узловых потенциалов п математических итерациотшх методов расчёта матричных структур вычислительного комплекса, базирующегося на современных персональных ЭВМ, для выявления распределения токов и потенциалов в элементах системы "рельс-обделка-земля-подземное сооружение";

- получении возможности математического моделирования посредством сеточных структур систем типа РОЗ для метрополитенов

и подобных им в других отраслях с последующим расчётом их параметров;

- получении результатов распределения токов и потенциалов при наличии локальных неоднородностеЯ во всех элементах системы;

- подтверждении рекомендации по выполнения? секционирования по ходовым рельсам сети отсоса мекду линиями метрополитенов, про-ходшшх в различных уровнях;

- разработке роготснд.'здш по обеспеченно повышения эо^ек-

тивности защиты от блуждающих токов при использовании режима рекуперации движения поездов на метрополитенах;

- разработке средств измерений по контролю за основными параметрами элементов" обратной тяговой сети метрополитенов в части защиты металлоконструкций от-блувдающих токов;

- разработке рекомендаций по включению в технические требования для рельсовых прокладок метрополитенов их электрического сопротивления и химического состава.

Практическая значимость внедрения результатов работы.

Разработанный вычислительный комплекс программ МЕТРО для • персональных ЭШ передан в эксплуатацт^о во ВНИИНТ для исследовательских' работ, опробован на Московском метрополитене при выполнении расчётов токораспределенйя в системе взаимного расположения линий метрополитена и трамвая, на Минском метрополитене для определения потерь электроэнергии от токов утечки в элементах рельсовой сети.

Комплекс МЕТРО позволяет проводить научные исследования фи инженерные расчёты токораспределенйя в системах РОЗС и ей подобных ка^с с однородными, так и с неоднородными параметрами, что значительно расширяет возможности решения аналогичных задач не только .для систем метрополитенов.

Выполнение секционирования по ходовым рельсам на соединительных ветках между взаимно пересекающимися линиями метрополитена создаёт условия ограничения растекания токов утечки и выноса потенциалов на тоннельную обделку сменных линий, чем обеспечивается защита её от блуждающих токов. Кроме того, данное секционирование косвенно повышает надёжность работи рельсовых цепей СЦБ. Рекомендации по гальваническому разделению ходовой рельсовой сети смежных линий метрополитенов использованн в нормативпнх

документах и практически реализован« на лшшях всех метрополитенов.

Повышению эффективности запиты от блуждающих токов на метрополитене г. Шшска всецело способствует разработка набора измерительной аппаратур;!, применяемой в эксплуатационно:! практике.

Замена полимерных прокладок на резиновые резко снизило число коррозионных повреждений ходовых рельсов и-деталей рельсовых скреплений на экспериментальном перегоне Минского метрополитена.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты доложены на научно-технической конференции "Запита от влияния блуждающих токов на электрифицированном рельсовом транспорте" (г. Челябинск, 1991 г.), на технических советах Минского метрополитена (I9S0 - 1992 г.г.О, на научно-технических совещаниях отделения электрификации ЕНИИП*IS9I - 1992 г. г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Стгууктурэ и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов по работе, списка использованной литературы и прилояений. Работа содержит 163 страницы основного текста, 46 рисунков, II таблиц, 86 наименог -ний использованной литературы п двух прилояений.

Научно-методическую помочь в проведении исследований оказали кандидат технических наук Терентьев.D.H. и инженер Варта-I нян H.A., в проведении серий измерении на метрополитенах - ип-кенеры Власов Е.А., Вартанян H.A., Уткин В.А., Акулич С.Ф.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обос. эванта научно-теетическоЯ задачи, решаемой в работе, отдтверядешга её актуальности и зна^.ния для

проблемы защиты от блуждающих токов металлосодержащих конструкций метрополитенов.

В первой главе проведен анализ методов исследования полей блуждающих токов и расчёта распределения токов и потенциалов в элементах системы "рельс-обделка-земля-подземное сооружение" (РОЗС).

Ходовые рельсы тоннеля являются основными элементами утечки тяговых токов, образующих в свою очередь блуждающие токи во всех элементах системы. Эти токи сложным образом протекают как по элементам тоннельной обделки, так и по окружающему тело тон-° неля грунту, с находящимися В нём метЬллосодержащими подземными сооружениями. Причём, на одних участках тяговой сети токи направлены от рельсов через обделку в землю) на других - от обделки к рельсам, либо от земли через обделку также к рельсам.

На- пути прохождения блуждающих токов по различным элементам образуются зоны поляризации как на внутренних, так и на внешних металлических поверхностях.

Учитывая тот факт, что система "рельс-обделка-земля" (РОЗ) является сложной пространственной структурой,, начальные исследования режимов проводились отечественными и зарубежными учёными для|отдельных ее элементов, потом - для сочетания, элементов "рельстземля", "рельс-обделка", "рельс-подземное сооружение". Исследования выполнялись для системы с однородными и неоднородными параметрами о определёнными допущениями и ограничениями.

/Прослеживая развитие исследований по теории распространения блуждающих токов можно Еыделить три его этапа. Первый - от начала столетия до 40-х годов. На этом этапе в теоретическом аспекте рассматривалась утечка тяговых токов и токораспределети в основном используя линеГшие ди^Леренциалыдае уравнения. Оста-

пенко В.Н. предлагал 'метод предельных переходов для решения задачи для трёхслойной пространственной структуры с тонкими концентрическими слоями и нулевой прово,цимост^ю внутритоннельной (воздушной) среда. Применить данный метод на многослойную структуру системы ТО? метрополитенов, имеющих конечную толщину цилиндрических слоев, невозможно. За этот период появилось много работ, но они не ставили задачу расчёта полей блуздащих токов при неоднородных электрических параметрах система РОЗС,

Второй этап (50-е * 70-е г.г.) развивает исследования теории токораспределенйя системой интегро-дифференциальннх уравнений, кусочно-однородннх систем и элементов с равномерно распределёнными параметрами.

Значительный вклад в развитие теории блуждающих токов внесли И.В. Стрижевский, К.Г. Марквардт, JI.H. Тввдгаридзе, М.В. Тар-

нижевский, В.Н. Левин, М.А. Сурис, В.И. Дмитриев, Г.Г. Марквардт, «

P.P. Мамошин, Н.Г. Сергеев, Б.И. Косарев, А.И. Гуков, Э.М. Гутман, К.К. Никольский, Б.Г. Дубровский, II.И. Николаенко и другие.

Третьим этапом исследования полей блуждающих токов и токораспределенйя в элементах системы F03 явилось -физическое моделирование, г.дшцип которого основан на воспро1.звеЛёшп1 тех же схем. замещения математического моделирования, ко с заменой аналитического решения на выполнение измерений результирующего распределения токов и потенциалов на её элементах.

Говоря о электрических моделях, разрабатываемых для исследования физических явлений, следует отметить их достаточно сильное развитие. Начиная с 60-х годов кирокое распространение получили сеточнне электромодеЛи, которче достаточно слогам в исполнении. Если говорить о соответствии модели и её прототипа, то Третий, что при использовании модели проводящей среда, к^адой

точке прототипа имеется црямое соответствие на модели, а при использовании сеточных моделей это соответствие значительно меньше. Электрические сетки, применяемые для моделирования распределённых параметров поля, дают представление только о тех точках исходного поля, которые соответствуют узловым точкам модели.

Работа на физических моделях при всех их достоинствах является весьма трудоёмкой, что и определилось основным её недостатком и фактором, сдергивающим широкое применение при исследованиях и инженерных расчётах.

Метода физического моделирования задач распределения токов и потенциалов для электрифицированного рельсового транспорта вообще и для метрополитенов в частности в последние годы были реализованы A.B. Кэтелыпшовны и им же развиты во многих работах ЕНИШГТ, проводимых в этом направлении. Конкретно для условий метрополитенов можно отметить работы В,А. Бондареняо, В.Н. Те-рентьева соответственно для чугунных и железобетонных тоннельных обделок. Их исследования базировались на работах, выполненных^, на блочном сеточном электроинтеграторе БУСЭ-70..В силу того, уто описываемые ими явления автомодельны, устанавливалась только количественная аналогия (электрическое или геометрическое подобие натуры ¡и модели) по критерием подобия, определяемым методом ин- ■, тегральных аналогов на основе анализа дифференциальных уравнений исследуемой системы.

Укажем, как отмечают и сами авторн работы на БУСЭ, что применение физического моделирования с использованием электроинтегратора является весьма трудоёмким и для исследовательских работ и тем более для инженерной практики. И тем не менее, с использованием данного интегратора были решены многие практические задачи, недоступные для аналитичесг-tx расчётов. На этом эта::о основ-

ной недостаток , сдерживающий применение физическое моделирования и Енполнения расчётов, преодолен не был.

Логическим переходом методов расчёта токораспределения в сложных системах от электрических моделей явилось применение вычислительных машин, особенно в последние года в связи с появлением ПЭШ с большими разрешающими возможностями.

Автором предлагается применение метода узловых потенциалов для расчёта режимов работы параметров электрической сеточной модели схемы замещения' системы РОЗ для метрополитенов на ПЭВМ.

В этой же главе рассматриваются различные схемы замещения системы РОЗ, на основе которых определены принципы построения схем для условий их расчёта методом узловых потенциалов. На ' рис. I приведена типовая структура схемы'замещения системы РОЗ метрополитена для одного перегона с одной иеговой нагрузкой 1г, уравновешенной двумя соками отсосов I . Этот же рисунок представляет вариант схемы замещения пространственной трёхмерной системы РОЗ и её развёрнутый вариант.

Во второй главе приводится разработка и исследуются возможности применения вычислительного комплекса Г.^ТТГРП для расчёта параметров токораспределения в системе РС1. метрополитена.

В силу того, что система РОЗ является замкнутой, в ней должно всегда выполняться условие

где и 10_ - соответственно токи тяга и токи отсосбв, участвуйте в расчётной схеме.

Решение задачи распределения токов и потенциалов в системе ГОР с локальными неодпороднос^тп: при перемещении тока тягл по ерегону сходится к многократному решению статической задачи.

а)

в)

Г01

Структура

схемы замещения

01

Рис. I. Электрическая схема замещения системы "рельс-обделка-земля" пространствешля (а), развёрнутая (б), типовая (в) для одного перегона метрополитена.

- 1з -

Для её решения используется метод узловых потенциалов, позволяющий, во-первых, достаточно просто формировать решаемую систему уравнений, во-вторых, организовать библиотеку моделей компонен-_'ов схемы замещения в виде вычислительных процедур.

Применение данного метода в общем случае приводит к системе нелинейных уравнений

II (Ч>,, Ч»,,...,^)-!]; Ч (%. хР*,....Ч>п)«0/ (2)

^(Фп I ■

являющейся математическим выражением закона Кирхгофа для токов.

Здесь I,, 12.....1П и Ф1(Фг.....Фп - соответственно

значения токов и потенциалов в узлах исследуемой схемы. Для ре-пения системы уравнений (2) относительно узловых потенциалов модно воспользоваться итерационным методом

фк+1 = фк _ Ц КФ") (3)

построегаш последовательности {фк} приближений к решении ф* .

Одним из наиболее эффективных алгоритмов, описываемых формулой (3), является метод Ньютона, иото^омл' соответствует выбор в качестве иатргащ И якобиана 'рункцтш I :

=

ъч>

(4)

Так как применение метода узловых потенциалов позволяет М(Фк)

находить матрицу -г-гтс- одновременно с вектором узловых токов

к 041

1(4* ] ценой вполне-пришлемте вычислительных затрат, то для ре-

гаения системы (2)- будем использовать метод.Ньютона

аНФТГ* с>Ф .

обладателе кваиргтичной скоростью-сходимости- при выполнении ряда условии етаосптс.ппо вектора начального приближения Ч5 и свойств

фк+1 =

Г • №и) , (5)

К 40 и ^^ . Полагая, что вектор ф" задан, предположим, что вычисления доведены до точки фк.

Если к узлу с номером т подключены бш компонентов схеш, то согласно первому закону Кирхгофа узловой ток 1т равен

1тСЧ>к)-ЫФ"), (6)

Здесь - ток, втекающий в т-й узел из ^-го компонен-

та схемы, подключённого к этому узлу. Кроме того,

ат*)

Соотношения (6) и (7) показывают, что компоненты 1т , \ т=1,2,3,...,п вектора узловых токовой строки матрицы Якоби можно вычислить путём последовательного суммирования соответствующих вкладов от всех компонентов схеш, подключённых к т-му узлу. Таким образом, алгоритмически нахождение величин I и сводится к построению вычислительных процедур для компонентов схеш, каждая из которых при заданном должна определять вклад л -полюсного элемента в вектор узловых токов и матрицу0

Описанный метод узловых потенциалов в совокупности с итерационным способом построения последовательности {4>к} приближений к решению Ф* и методом Ньютона, а также с учётом особенностей, при задании токов 1т. и в расчётной схеме, позволил создать вычислительный комплекс программ, названный МЕТРО.

Комплекс МЕТРО, ориентированный на решение специальных задач токораспределения в системе "рольс-обделка-земля", является большой программной системой многофункциональной по своему назначению и характеризующейся сложными межпрограммными связями.

Комплекс МЕТРО реализован на язиках ТиШ-ШСАЬ и :<ОРТ-РАН-77 и выполняется под управлением операционной систеги АЛЬФА-ДОС (МЭ ДОЗ) с ориентацией но персоналышо ЭРГЛ единой сери;;

Ч

Рис. 2. Общая структура вычислительного комплекса программ КЕГГРО.

НЕЙРОН и другие, совместимые с-1Ш РС,-любой конфигурации. Эти ПЭВМ должны-иметь два накопителя на гибких магнитных дисках, объём оперативной памяти не менее 256 К и устройство печати (для получения твёрдых копий). В комплексе максимально использован интерактивный режим работы. Общая структура комплекса приведена на рис. 2.

В третьей главе приводятся результаты исследований различных схем замещения системы РОЗС метрополитена, общий вид которой изображён на рис. 3 с принятым шагом дискретизации (100 м).

Тяговая нагрузка 1г, уравновешенная токами отсасывающих пунктов тяговнх подстанций 101 и 102, перемещается по узлам последовательного соединения сопротивлений модели, имитирующей ходовую рельсовую сеть (Е .). При этом, на всех элементах-модели

Р1

фиксируются токи и разности потенциалов в узлах . 'Вычислительный комплекс МЕТРО позволяет автоматически производить перемещение тока тяги и получать искомые расчётные параметры токо-распределения на всех элементах исследуемой модели.

Рис. 3. общий вид схемы за:,мщения «иютеш РОЗС мегрополпте на одного перегона (локальные г-однородности отмечены зэ'итрг хован ннм:'.).

Особенностью проводш.шх исследований является учёт влияния зкальных неоднородностей в различных элементах на общее расп-эделение токов и по'тенциалов всей системы. Причём, каждая ло-альная неоднородность имеет свой физический смысл и свои пара-етры, значения которых всецело зависит от конкретных местных словий для участков метрополитенов, получаемых из натурных из-е'рений либо эмпирическим путём для обобщения исследовательских елей.

Наличие локальной неоднородности в элементе "рельс" отража-т изменение продольного электрического сопротивления- рельсовых ;епей, тип рельса, наличие (отсутствие) стыков всех видов (сбор-1ых, дроссельных, изолирующих), состояние электрического соеди-[ения элементов стыков, состояние контактов в местах крепления екемперных проводов к рельсам и путевым дроссель-трансформато-. зам и др. !

По результатам расчётов установлено, что увеличение продольного сопротивления Кр на' локальном участке в 10 раз повышает потенциалы на этом участка. (+)Чр_0 в 5-8 раз, (-)1/р_0 в 7-ТО раз при одновременном увеличении тока в обделке в 10-20 раз.

Локальная неоднородность в элементе "рельс-обделка" отражает изменение переходного электрического'сопротивления между ходовыми рельсами и тоннельной обделкой - наличие течей в тоннелях, загрязнённых участков и касаний балласта с рельсом, содержание шурупных отверстий, .длина самих шурупов, наличие (отсутствие) изолирующих прокладок между рельсом и подкладкой и др.

Уменьшение переходного сопротивлеиля Нр_0 на локальном • участке в 10 разчувеличивает ток в обделке в '1,5-2,0 раза.

Локпльпая неоднородное .ъ в элементе "обделка" отражает изменение продольного электрического сопротивления строительных

конструкций тела тоннеля - материал тоннельных тюбингов, армирование железобетонных элементов тоннеля портального типа, наличие (отсутствие) продольной электрической связи по арматуре, а также шин заземления вдоль тоннеля.

Изменение (увеличение, уменьшение) продольного сопротивлени обделки Sp влечёт за собой незначительное (не более 5 %) изменение параметров IQ и U р_0.

На рис; 4 приведены характерные изменения расчётных величин тока в обделке 1Q и потенциалов U р_0 для систем, содержащих локальные неоднородности в элементах "рельс", "рельс-обделка", "об делка".

Наличие локальной неоднородности в элементе "обделка-земля" что в свою очередь имитирует понижение переходного сопротивления изоляции тоннельной обделки относительно "земли" и что имеет мое то при повреждениях и старении гидроизоляционных покрытий наружных поверхностей тоннельных тюбингов, значительно влияет на изменение параметра UQ_3.

Так, уменьшение переходного сопротивления элемента KQ_3 на участке в IQ раз увеличивает потенциал (+)U0_3 в 3-5 раз при практически неизменных (-)U и токов в земле I , Такое увеличение потенциалов создаёт анодные электрокоррозионно опасные зоны на участках тоннелей с имеющимися локальными неоднороднос-тяш. _

Изменение продольной проводимости слоёв земли (имитация- на модели локальной неоднородности элемента "земля" отражает ка-честреннмг состав участка грунта, полипе обводнённых участков, либо наличие других физических '"'акторов, определяющих изменение электрического сопротивления) в 10 раз >-е.чичнвает потенциалы ■ (±)U 0 3 и ток в земле в 4-6 рэп. Отметим, что эти увеличения

- г -

Гис. 4. Грабили изменения I) и 10 для систем:• рельс-обделка" с однородными (Т,2) п неоднородными (3,4) параметрами элементов "рельс" (а), "рсльс-обделка" ('£), "обдолка" (в) при нахождении электропоезда в середине ме;лтодстанционноЛ зо-

перегона (1,3) и па элементе с локальной неоднородностью (2,4).

концентрируются только в районе с локальной неодс родностыо в грунте, рис, 5.

Моделирование пересечения двух линий метрополитенов, проходящих в различных уровнях и имеющих между собой соединительную ветку, и расчёт параметров проводился на электрической схеме замещения двух систем типа РОЗ. Соединительная ветка моделируется сопротивлениями ходового рельса причём, наличие изолиругаце-

" с

го стыка в ней задавались величинами с в =10 Ом, а отсутствие такового - величиной, соответствующей сопротивлению рельса. Тоннельная обделка 'ветки моделируется сопротивлениями обделки Л,, „ ,, =0,06 Ом, соответствующими сопротивлению обделки из железобетона.

Наличие соединительной ветки между линиями метрополитена изменяет как величину, так и характер исследуемых параметров элементов системы. Анализируя полученные результаты с т.зр. целесообразности гальванического разделения (установки изолирующих стыков) ходовых рельсов обеих линий отмечено, что:

- установка изостыков снижает потенциалы ир_0 на второй линии от поезда первой линии в 10^ раз;

- наличие изостыков резко сужает зону распространения потенциалов на второй линии от поезда первой до величины 0,1 длины перегона;

- токи в "земле" при гальваническом соединении обделок о.йо-их тоннелей остаются практически неизменными как при наличии, так и при отсутствии изостыков, что говорит о преимущественно замкнутом распределении токов утечки б элементах "рельс" и "обделка"' обоих линий.

Выполнение секционирования по ходое>:л рельса:: двух лини? создаёт условия* ограничения растскзннл токов утечки и в;,поса

я

Рис. 5. Графики изменения 110_д и 13 для системы "рельс-обдел-5-зсмля" с однородными (1,2) и неоднородный!-!» (3,4) параметрам! гсиеятов "обделка-земля" (а) и "земля" (б) при нахождении поезда со родило метшодстанциошюй зоны (1,3) и на элементе с неоднород-зстьч (2,4), н при перемещении поезда.по всему перегону (в).

потенциалов на тошшльнуя обделку смежных линий метрополитена.

Влияние ре;глма рекуперации на элементы "рельс", "обделка", "земля" определялось такие на сеточной модели системы с использованием схемы замещения с однородными параметрами. На рассматриваемом участке линии одновременно с движением поезда, идущем в режиме тяги, моделировался поезд, идущий в режиме рекуперации. Причём, при движении между поездами сохранялся постоянный интервал. Расчёт проводился при значениях тока тяги 1Т=Ю00 А и токе рекуперации 1р-200 А.

В результате исследований отмечено, что применение режима рекуперации снижает ир_0, 10, 13 0_д, 1д, но сохраняет характер их изменения. Так, при заданных нормативных параметрах схем 1] р_0 снизился ¡'" 20-30 как и ток в обделке 10. II снизился на 5-8 при уменьшении тока в земле до 20 Таким образом, очевиден вывод о положительном эффекте от применения режима рекуперации на поездах метрополитенов для снижения факторов, влияющих па электрокоррозионное состояние элементов системы РОЗ.

Четвёртая глава посвящена исследовании факторов, повышающих опасность ^рррозионпого разрушения конструкции, а такие совершенствования средств измерений при контроле основных»параметров сооружений метрополитенов прп защите их от блуждаащпх токов.

Для рельсов в тоннелях существуют две опасности их коррозионного разрушения -.электрокоррозия токами утечки и взаимодействие с агрессивными .средамч. В свою очередь агрессивные среда привносятся в тоннели либо с' течаш от затюбннговой земли, либо от других конструктивных элементов. Часто эти два фактора действуют совместно и тогда коррозионные процессы протекают ьесьма активно. 'На контроле первого находятся ^реходпне электрические сопротивления, на контроле второго - исключение контакта рельса

агрессивной средой. Oda фактора рассмотрены в данной главе.

Исследованы процессы и установлены причины понижения пере-:одных сопротивлении станционных рельсовых цепей. После промывки [утевого бетона восстановление электрических сопротивлений для юрегонных цепей составляет 4-5 дней, для станционных - до 20 [ней. Уменьшение количества промывок для станционных рельсовых (епей способствует увеличению их переходных сопротивлений.

Вскрыты причины коррозионных повреждений" ходовых рельсов и деталей рельсовых скреплений, на которые воздействуют и электро-симическая коррозия агрессивных сред и электрокоррозия от блуж-1аю1цих токов. При выполнении сравнительной экспертиз» химического состава полимерных рельсовых прокладок, проведённой с при в— течением исследовательского центра All Беларуси, было установлено, но коррозия рельсов над полимерной прокладкой обусловлена его' взаимодействием с хлором, содержащимся в материале прокладки, лнтенсивность которого усиливается в условиях повышенной влажности и наличия токов утечки.

В целях снижения количества повреждений на подошвах.ходовых

9

рельсов от коррозии агрессивной средой, а также для увеличения амортизационных свойств пути на одном перегоне Минского метрополитена монтаж релэсовой сети выполнялся 'но на полимерных, а на резиновых прокладках, изготовленных на Бобруйском шинном заводе по заказу метрополитена. С IS90 годг (пуска 2-й-линии) на этом участке резко снизилось число повреждений подошвы'рельсов.

В лаборатории защиты от электрокоррозии Минского метрополитена под руководством автора разработаны различные специализированные средства ^морения, на основе котфэнх усовершенствована технология измерения1 блуида'-лглх токов, Ра счёт этого повышена объективность при измерениях потенциалов конструкций, точность

и достоверность получаемой информации, что является основой дд принятия решения по защите от электрокоррозии. Все разработанные устройства аттестованы комиссией метрополитена и нашли пра: тическое применение.

Наряду с этим, автором разработан и пущен в эксплуатацию : Шнеком метрополитене стенд автоматизированного измерения поте: циалсв конструкций тоннелей метрополитена, который позволяет:

- автоматизированно выполнять одновременные измерения потенциалов рельсовой сети, обеспечивая требования инструкции ЦМетро-3986;

- сократить эксплуатационное расходы на выполнение измерений постоянно контролируема параметров;

- приблизиться к решению задачи автоматического измерения контролируемых величин в реальном режиме движения иоездоЕ.

Данное техническое решение может быть рекомендовано для проектируемых, строящихся и эксплуатируемых метрополитенов в качестве аналога. ■

ШЕСТЬ'

1. На основании анализа'существующих методов расчёта токо-.распределения в системе "рельс-обделка-земля-подземное сооружение" метрополитенов показана необходимость для значительного расширения круга решаемых задач б привлечении совершенных методов расчёта с. использованием ЭШ. Этим определён качественно новый этап в технологии расчётов схем замещения в системе 'ГО?

-метрополитенов, что открывает- широкие возможности применения ■персональных ЭВМ в исследовательской и инженерной практике.

2. Разработаны пришли построения схоп ssr-cneara к структура базы данных схом систегк ТОГ", чек создакг услоьта для:

полнения расчётов на ПЭВМ.

3. Разработан вычислительный комплекс МЕТРО для расчёта ем замещения с применением метода узловых потенциалов и пте-ционных методов расчёта матричных структур, а также мсделиро-нием движения поездов по перегону, позволятадй элективно и заданной точностью расчитывать токи и потонциолп в элементах счётных схем. Сравнение результатов расчёта схем системы РОЗ мплек^ом МКТРО о результатами физического моделирования (элск-оинтегратор БУСЭ-70) даёт достаточную сходимость с отклоне-

ем не более ± 2,5 %.

4. На основе вычислительного комплекса исследсвано и оцене-влияние локальных неоднородностей электрических параметров,

итирующих отклонение их от нормативных значений, ..для' рельсо-х сетей, тоннельных обделок, изоляционных структур (ухудшение оводимости, обрыв цепей, точи и т.п.) на электрокоррозионноэ стояние конструкций метрополитена и смеяных коммуникаций.' Так, пример, десятикратное локальное повышение продольного сопро-вления рельсовой сети и столь ад кратное понижение уровня изо-ции пути приводит к повышению тока в обделке соответственно 10-20 и 1,5-2,6 раза; в значительно меньшей меро влияют ло-лыше неоднородности тоннельной обделки. Даны практические комендацпи по устранению этих явлений.

5. По результатам исследований тскораспроделзния в системе я двух пересекавшихся линий метрополитенов с соединительной ткой между ниш установлено, что глухое соединение ходовых льсов двух лиши! создаёт условия для выноса потенциалов с од-!5 линии на обделку тоннеля другой и как следствие - ухудшение

электрокоррозиопиого состояния, а установка изолирующих стыв снижает потенциалы "рсльс-обделка" на второй линии от поезда

первой линии в 10^ раз. Разработаны нормативные указания по гальваническому разделению ходовых рельсовых сетей линий метрополитенов с установкой изолирующих 'стыков на соединительных ветках.

6. Показан положительный эффект снижения влияния блуждающих токов на'сооружения при использовании режима рекуперации на метрополитене.'

7. Исследована динамика периодических изменений изоляции станционных рельсовых цепей (в сравнении с тоннельными), связанная с их промьгарой,..и' влияние этого процесса на электрокоррозионное состояние конструкций метрополитена; даны практические рекомендации по этовд вопросу, ориентированные на изменение режима промывки в тоннелях.

8. Установлена отрицательная роль химического состава полимерных рельсовых прокладок на развитие коррозионных процессов подошвы рельсов; разработаны дополнительные требования к химическому составу и диэлектрической прочности прокладок ий полимера и предложения: о замене их на резиновые, дающие значительное улучшение коррозионной стойкости ходовых рельсов, что и подтверш лось установкой их на одном из перегонов Минского метрополитена.

9. Разработаны и внедрены технические мероприятия по совершенствованию измерительной техники контроля за основными параметрам! сооружений метрополитена при защите их от блуждающих годов; разработан и пущен в эксплуатацию на Минском метрополитене стенд автоматизированного измерения потенциалов "рельс-обделка", за счёт чего повышена достоверность и эффективность измерений,

а также созданы предпосылки для решения задачи непрерывного авто матического контсоля потенииальног^ состояния рельсовых сетей и

» о

других сооружений.

10. Применение комплекса мероприятий по контролю и защите >т блуждающих токов, разработанных в диссертации, позволяют по-

ч

зысить эксплуатационную надёжность метрополитена с определённым экономическим эффектом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бондарчук A.B. Исследование факторов, повышающих опасность коррозионного разрушения рельсов в метрополитенах // Вестник ШИТ, 1992. JS 8. С. 39-43.

2. Котельников A.B., Мулярчик С.Г., Бондарчук A.B., Зелен-ко В.Н. Расчёт электрических характеристик трёхмерной системы рельс-обделка-земля метрополитенов методом узловых потенциалов // Вестник ИЩЕТ 1992. JS 6. С.32-35.

3. Герентьев В.Н., Бондарчук A.B., Вартанян М.А. Факторы, влияющие на концентрацию токов утечки с арматуры тоннельных обделок метрополитена цз железобетона / Под ред. А. В. Котелыш-кова. М.: Транспорт, 1990. С.10-26. (Тр. ВНИИНТ).

4. Бондарчук A.B. О применении сетешхГмоделей с вероятностными временными оценками продолжительностей работ // Автоматические и автоматизированные системы управления в энергетике: Сб.научн.тр./ Энерг. ин-т им. Г.М.Кржижановского.-М., 1978.-Вып. 65.-C.II7-I20.

5. Бондарчук A.B. Вопросы оптимального синтеза сетевых моделей ремонта энергоагрегатов // Автоматические и автоматизированные систег.и управления в энергетике: "б.научн.тр./ Энерг. ин-т ип. Г.М.Кржижановского.-М., 1980. C.IQ4-T60.