Разработка модели определения разности потенциалов между рельсом и землей на участках электрифицированных железных дорог переменного тока

Введение. Активное применение геосинтетических материалов при модернизации железнодорожного пути для повышения его механической стабильности приводит к значительному увеличению электрического сопротивления балластного слоя. Это создает серьезную проблему для электрифицированных железных дорог переменного тока, так как нарушает нормальное растекание обратных тяговых токов и приводит к возникновению опасных разностей потенциалов между рельсом и землей. Целью исследования является разработка и верификация физико-математической модели определения разности потенциалов между рельсом и землей на участках электрифицированных железных дорог переменного тока для количественной оценки потенциала и анализа влияния структуры балластной призмы на его распределение.

Материалы и методы. Для решения задачи была разработана уточненная физико-математическая модель на основе метода конечных элементов. Данный метод позволяет учесть пространственную неоднородность электрических параметров пути. Модель интегрирует сопротивления различных элементов конструкции пути: рельсов, шпал, балласта и земляного полотна. Для валидации модели были проведены натурные эксперименты на Экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ».

Результаты. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанной модели. Результаты расчетов продемонстрировали высокую степень соответствия с данными натурных измерений распределения потенциала вдоль пути. В результате проведенной работы создан инструмент для решения прикладных задач, связанных с определением разности потенциалов между рельсом и землей.

Обсуждение и заключение. Сравнение опытных и расчетных данных уточненной физико-математической модели показывает, что разработанная модель является эффективным инструментом для прогнозирования потенциально опасных участков на этапе проектирования верхнего строения пути.

1. Харьковская Е.Д. Анализ влияния технологии восстановления и строительства железнодорожных путей на электрическое сопротивление рельс — земля // Железная дорога: путь в будущее. Сборник материалов I Международной научной конференции аспирантов и молодых ученых, Москва, 28–29 апреля 2022 года. М.: Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта, 2022. С. 196–200. EDN: https://elibrary.ru/esccjc.

2. Корниенко В.В., Фигурнов Е.П. Токи и потенциалы цепи обратного тока тяговой сети с ЭУП // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2002. №1. С. 65–70. EDN: https://elibrary.ru/jvxfjh.

3. Наумов А.В., Наумов А.А. Потенциал рельсов и электробезопасность // Автоматика, связь, информатика. 2014. №5. С. 20–23. EDN: https://elibrary.ru/sdjzld.

4. Остапенко А.Н. Экспериментальное исследование потенциалов рельсовой сети на участках переменного тока при развертывании полигонов тяжеловесного движения на железных дорогах России // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2009. №6. С. 40–44. EDN: https://elibrary.ru/kxruld.

5. Крылов А.А., Ребров И.А., Рудашевская А.В., Рудашевский Р.А., Харьковская Е.Д. Влияние переходного сопротивления балласта верхнего строения пути на величину потенциала рельс — земля на участках железных дорог, электрифицированных на переменном токе // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2022. Т. 81, №1. С. 16–22. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2022-81-1-16-22. EDN: https://elibrary.ru/swlkkq.

6. Быкадоров А.Л., Заруцкая Т.А., Муратова-Милехина А.С. Применение теории распознавания образов при определении места короткого замыкания в тяговых сетях переменного тока // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2021. №2(82). С. 119–128. https://doi.org/10.46973/0201-727X_2021_2_119. EDN: https://elibrary.ru/pksius.

7. Лунев С.А., Дремин В.В., Ходкевич А.Г., Сероштанов С.С. Исследование влияния капитального ремонта пути на обратную тяговую сеть // Автоматика, связь, информатика. 2020. №2. С. 9–11. https://doi.org/10.34649/AT.2020.2.2.003. EDN: https://elibrary.ru/mezney.

8. Скоков Р.Б., Кремлев И.А., Тарабин И.В., Терехин И.А. Оценка условий электробезопасности заземления на рельс устройств тяговой сети в условиях применения изолирующих материалов при капитальном ремонте железнодорожного полотна // Известия Транссиба. 2015. №2(22). С. 96–101. EDN: https://elibrary.ru/udyihr.

9. Железнов Д.В., Тарасова Е.М., Исайчева А.Г. Применение обратного пассивного тягового провода с учетом сопротивления элементов железнодорожного полотна // Вестник транспорта Поволжья. 2014. №6(48). С. 14–17. EDN: https://elibrary.ru/tjwomd.

10. Косарев А.Б., Виноградов С.А., КорольЮ.Н., Косарев И.А. Электробезопасность электроустановок транспорта. М.: РАС, 2022. 448 с. EDN: https://elibrary.ru/bgkcpc.

11. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Методы совместного моделирования систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока. Иркутск: ИрГУПС, 2010. 160 с. EDN: https://elibrary.ru/rnjvkj.