Исследователи из Российского университета транспорта, Иркутского государственного университета путей сообщения и Иркутского национального исследовательского технического университета совместно с коллегами из Университета «Ангел Канчев» в Русе (Болгария) изучили возможность замены традиционных воздушных линий электропередачи (ВЛ), питающих тяговые подстанции на железных дорогах, на газоизолированные линии.
Стандартные тяговые подстанции подключаются к сети через воздушные линии напряжением 110-220 кВ. Однако надежность таких линий в значительной степени зависит от климатических условий, поскольку кабели подвержены воздействию сильного ветра и гололеда. Кроме того, вдоль маршрутов ВЛ образуются протяженные зоны электромагнитного воздействия, влияющие на людей и чувствительную электронику. Для смягчения таких рисков требуются широкие защитные зоны, что исключает значительные площади земель из сельскохозяйственного и коммерческого использования.
Преимущества газоизолированных линий
Газоизолированные линии, в которых токопроводящие элементы заключены в герметичную металлическую оболочку, в значительной степени устойчивы к таким проблемам. Они компактны, устойчивы к погодным условиям и благодаря экранирующему эффекту оболочки практически не создают внешнего электромагнитного поля.
Однако для железнодорожных применений, где нагрузки нестабильны и значительно отличаются от стандартного режима проектирования, необходимо было понять, как такие линии будут работать в реальных условиях.
Результаты компьютерного моделирования
Ученые разработали детальные компьютерные симуляции энергосистемы, питающей группу тяговых подстанций, с учетом реального движения грузовых поездов массой до 6,8 тысяч тонн по сложному профильному участку путей. Для учета всех факторов использовалось специализированное программное обеспечение Fazonord AC-DC на основе метода фазовых координат.
В процессе виртуального эксперимента ученые сравнили работу одной и той же сети 110 кВ в двух режимах – питание тяговых подстанций через ВЛ и через газоизолированную линию. Результаты доказали, что использование газоизолированной линии заметно улучшает качество электроэнергии.
Коэффициент несимметрии напряжения на шинах подстанции в сценарии с газоизолированной линией не превышал 2% и находился в пределах норм, в то время как в сценарии с ВЛ он был в несколько раз выше. Гармонические искажения напряжения в сети, питаемой газоизолированными линиями, снизились на 70-88% по сравнению с традиционным вариантом, что напрямую влияет на надежность и ресурс трансформаторов и другого высоковольтного оборудования.
Значительное снижение электромагнитных полей
Наиболее очевидные различия проявились при расчете электромагнитных полей. Моделирование показало, что газоизолированные линии создают магнитное поле в шесть раз слабее, чем воздушная линия аналогичной мощности, а электрическое поле – в десятки раз слабее.
На расстоянии 2 метров от оси железной дороги напряженность магнитного поля газоизолированных линий была примерно в шесть раз ниже, а у ВЛ – почти в 40 раз. Даже пиковые токи, возникающие при прохождении тяжелых поездов, вызывали лишь умеренные колебания поля вокруг газоизолированной линии, в то время как амплитуда таких колебаний вокруг воздушной линии была значительно выше.
Перспективы внедрения
На основе результатов исследования ученые предлагают использовать разработанные симуляции и методику расчетов при проектировании и модернизации систем электроснабжения железных дорог, прежде всего в районах с высокой плотностью застройки и повышенными требованиями к электромагнитной безопасности.
Следующим этапом планируется распространение этого подхода на сети постоянного тока, питающие тяговые подстанции с еще более динамичными режимами. В случае реализации предложенных решений железные дороги станут более надежными, а энергосистема вдоль транспортных коридоров и прилегающих к жилым массивам перестанет создавать проблемы для жителей.