Учёт гармонических искажений при моделировании электромагнитных полей в искусственных сооружениях железных дорог

Цель исследований – разработка моделей для определения электромагнитных полей в искусственных сооружениях железных дорог с учетом генерации высших гармоник электровозами. В качестве объекта исследований рассматривались поля в следующих сооружениях: туннель, галерея, а также мосты с ездой понизу и поверху. Для сравнения выполнены расчеты полей участка с плоским рельефом земной поверхности. При разработке цифровых моделей использован подход, базирующийся на представлении электроэнергетических систем в фазных координатах, реализованный в программном комплексе Fazonord, версия 5.3.7.0-2024. Для сооружений применялись наборы проводников, заземленных с двух сторон. Электромагнитные поля определялись на основе моделирования движения пяти поездов массой 3192 т в нечетном направлении с интервалом 22 мин. Установлено, что максимальные действующие значения напряженности электрического поля на рассматриваемом участке для некоторых сооружений превышали допустимую величину 5 кВ/м: на мосту с ездой поверху этот параметр достигал 9,8 кВ/м, а для тоннеля – 5,9 кВ/м. Показано, что ввиду больших межпоездных интервалов напряженность магнитного поля не выходила за нормативный предел (80 А/м). В результате проведенных исследований выявлено, что высшие гармоники, создаваемые электровозами, приводили к заметным искажениям годографов магнитного поля. А наличие искусственных сооружений вызывало существенные вариации характера распределения полей в сечении тяговой сети. Таким образом, разработаны цифровые модели систем тягового электроснабжения. Они позволяют адекватно определять динамику изменения напряженностей электромагнитного поля в пространстве, окружающем тяговую сеть 25 кВ, смонтированную внутри искусственных сооружений, которые содержат значительное число металлических деталей. Разработанная авторами компьютерная технология может эффективно использоваться на практике при разработке мероприятий по обеспечению электромагнитной безопасности в искусственных сооружениях электрифицированного железнодорожного транспорта.

1. Закирова А.Р. Защита электротехнического персонала от вредного воздействия электромагнитного поля. Екатеринбург: Уральский государственный университет путей сообщения, 2018. 171 с. EDN: YLMQKS.

2. Кузнецов К.Б., Закирова А.Р. Оценка электромагнитной обстановки и вероятности возникновения профессионально обусловленного заболевания // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2014. № 4. С. 82–90. EDN: TEWMNJ.

3. Буякова Н.В., Закарюкин В.П., Крюков А.В. Электромагнитная безопасность в системах электроснабжения железных дорог: моделирование и управление: монография. Ангарск: АнГТУ, 2018. 382 с. EDN: YUYSPB.

4. Закирова А.Р., Буканов Ж.М. Исследования электромагнитных полей на рабочих местах персонала, обслуживающего контактную сеть // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2016. № 2. С. 73–83. http://doi.org/10.20291/2079-0392-2016-2-73-83. EDN: WBWUBN.

5. Сидоров А.И., Закирова А.Р., Горожанкин А.Н. Исследование энергетической нагрузки ЭМП вблизи контактной сети // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2024. Т. 24. № 1. С. 80–87. http://doi.org/10.14529/power240109. EDN: LKWVHZ.

6. Zhang Lu, Zhu Yun, Chen Song, Zhang Dan. Simulation and analysis for electromagnetic environment of traction network // XXXIVth General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science. 2021. http://doi.org/10.23919/URSIGASS51995.2021.9560338.

7. Oancea C.D., Calin F., Golea V. On the electromagnetic field in the surrounding area of railway equipment and installations // International Conference on Electromechanical and Energy Systems. 2019. http://doi.org/10.1109/SIELMEN.2019.8905871.

8. Apollonskii S.M. Estimation of the electromagnetic environment on objects of the railway electrified on direct current // IEEE EUROCON. St. Petersburg: IEEE, 2009. P. 1549–1555. http://doi.org/10.1109/ EURCON.2009.5167847.

9. Lu Nan, Zhu Feng, Yang Chengpan, Yang Yang, Lu Hede, Wang Zixuan. The research on electromagnetic emission of traction network with short-circuit current pulse // IEEE Transactions on Transportation Electrification. 2021. Vol. 8. No. 2. P. 2029–2036. http://doi.org/10.1109/TTE.2021.3115578.

10. Lucca G., Moro M., Florio R., Lidonnici G. Measurements and calculations of 50Hz magnetic field produced by Italian high speed railway system // International Symposium on Electromagnetic Compatibility - EMC EUROPE. 2012. http://doi.org/10.1109/EMCEurope.2012.6396900.

11. Oancea C.D., Calin F., Golea V. Analysis of the influences of the electromagnetic field produced by an electrified railwaysection// 7thInternationalConferenceonEnergyEfficiencyandAgriculturalEngineering. 2020. http://doi.org/10.1109/EEAE49144.2020.9279005.

12. Dan D., Chakrabarti S. Electromagnetic environment in modern railway system // 13th International Conference on Electromagnetic Interference and Compatibility. 2015. P. 116–121. http://doi.org/10.1109/ INCEMIC.2015.8055860.

13. Kuznetsov K., Zakirova A., Averyanov U. Specific energy of 50 Hz electromagnetic field // International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. 2017. http://doi.org/10.1109/ICIEAM.2017.8076222.

14. Kim Jae Hee, Yoon Hyuk-Jin, Kim Dae-Hyun, Cho Bong-Kwan. Effects of magnetic fields around contact lines on magnetometers // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 132397–132403. http://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3009948.

15. Serdiuk T., Ansari H.T., Rodica B. Electromagnetic Influence of AC traction network on the railway communication lines // IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/Power Integrity. 2022. P. 326– 329. http://doi.org/10.1109/EMCSI39492.2022.9889435.

16. Rachedi B.A., Babouri A., Berrouk F. A study of electromagnetic field generated by high voltage lines using Comsol Multiphysics // International Conference on Electrical Sciences and Technologies in Maghreb. 2014. http://doi.org/10.1109/CISTEM.2014.7076989.

17. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем: монография. Иркутск: ИрГУПС, 2005. 273 с. EDN: PTVITA.

18. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование систем тягового электроснабжения постоянного тока на основе фазных координат: монография. М.: Директ-Медиа, 2023. 156 с. EDN: LIJPRI.

19. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Черепанов А.В., Крюков А.Е., Середкин Д.А., Фесак И.А. Моделирование трехфазных систем тягового электроснабжения железных дорог переменного тока: монография. Екатеринбург: УрГУПС, 2023. 172 с. EDN: NHDULR.

20. Буякова Н.В., Закарюкин В.П., Крюков А.В., Середкин Д.А. Учет гармонических искажений при моделировании электромагнитных полей, создаваемых линиями электропередачи, питающими тяговые подстанции железных дорог // Электричество. 2022. № 5. С. 28–38. http://doi.org/10.24160/0013-5380-2022-5-28-38. EDN: RXGASM.

21. Крюков А.В., Черепанов А.В., Любченко И.А. Комплексное использование технологий Smart Grid в тяговых сетях железных дорог // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 5. С. 1041–1052. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-5-1041-1052. EDN: RNYCDC.