Команда исследователей из Российского университета транспорта, Иркутского государственного университета путей сообщения и Иркутского национального исследовательского технического университета совместно с коллегами из болгарского Университета «Ангел Канчев» в Русе проверила, можно ли заменить традиционные воздушные линии электропередачи (ЛЭП), питающие тяговые подстанции железных дорог, на газоизолированные линии (ГИЛ). Последние представляют собой металлические трубы с проводником внутри, заполненные изоляционным газом.
Обычно тяговые подстанции подключаются к энергосистеме по высоковольтным воздушным линиям напряжением 110-220 кВ. Но в таком случае надежность ЛЭП во многом зависит от климатических условий, поскольку провода уязвимы к сильному ветру и гололеду. Кроме того, вдоль трасс воздушных линий формируются протяженные зоны повышенного электромагнитного воздействия, которые влияют на людей и чувствительную электронику. Для снижения рисков приходится создавать широкие охранные зоны, фактически изымая значительные площади земли из хозяйственного использования.
Газоизолированные линии, в которых токоведущие элементы заключены в герметичную металлическую оболочку, во многом лишены этих проблем. Они компактны, устойчивы к погоде и благодаря экранирующему эффекту оболочки практически не формируют внешнего электромагнитного поля. Однако для применения на железных дорогах, где нагрузки нестабильны и существенно отличаются от стандартных расчетных режимов, требовалось точно понять, как такие линии будут работать в реальных условиях.
Именно эту задачу и решали исследователи. Они разработали детальные компьютерные модели энергосистемы, питающей группу тяговых подстанций переменного тока, с учетом движения реальных грузовых поездов массой до 6,8 тысяч тонн по участку со сложным профилем пути. Такие режимы сопровождаются резкими колебаниями потребляемой мощности и тока, а электровозы с однофазными выпрямителями вносят в сеть значительные гармонические искажения, нарушая идеальную синусоидальную форму тока. Для корректного учета всех этих факторов был применен специализированный программный комплекс Fazonord AC-DC, использующий метод фазных координат. Он позволяет моделировать не только асимметрию и высшие гармоники, но и характерные для газоизолированных линий физические эффекты, в частности поверхностный и близкостный эффекты в массивных алюминиевых проводниках.
В рамках виртуального эксперимента ученые сравнили работу одной и той же сети 110 кВ в двух вариантах – при питании тяговых подстанций по воздушной линии и по газоизолированной. Результаты показали, что применение ГИЛ заметно улучшает качество электроэнергии. Коэффициент несимметрии напряжения на шинах подстанций в варианте с газоизолированной линией не превышал 2% и стабильно укладывался в нормативы, тогда как при использовании воздушной линии он был в несколько раз выше. Гармонические искажения напряжения в сети с ГИЛ снизились на 70-88% по сравнению с традиционной схемой, что напрямую влияет на надежность и ресурс трансформаторов и другого оборудования высокого напряжения.
Наиболее наглядные различия проявились при расчете электромагнитных полей. Моделирование показало, что газоизолированная линия формирует магнитное поле в среднем в шесть раз слабее, чем воздушная линия аналогичной мощности, а электрическое поле – в десятки раз слабее. Уже на расстоянии 2 метров от оси трассы напряженность магнитного поля ГИЛ была ниже примерно в шесть раз, а ЛЭП – почти в 40 раз. При этом даже пиковые токи, возникающие при прохождении тяжелых поездов, вызывали лишь умеренные колебания уровня поля вокруг газоизолированной линии, тогда как у воздушной линии амплитуда этих колебаний была существенно выше.
По итогам работы ученые предлагают использовать разработанные модели и методику расчетов при проектировании и модернизации систем электроснабжения железных дорог, прежде всего в районах с плотной застройкой и повышенными требованиями к электромагнитной безопасности. В качестве следующего шага они планируют распространить подход на сети постоянного тока, питающие тяговые подстанции, где режимы еще более подвижны.
И если однажды предложенные решения будут внедрены, железные дороги станут надежнее, а энергосистема вдоль транспортных коридоров и вблизи населенных пунктов перестанет создавать проблемы для населения.
