Разработка технических средств и методики контроля состояния изоляторов контактной сети постоянного тока

8. Чижма, С. Н. Пути повышения пропускной способности каналов передачи данных АСКУЭ [Текст] / С. Н. Чижма, А. Г. Малютин, Д. А. Серов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 2 (6). - С. 79 - 84.

УДК 621.311.4: 621.331

А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко, Е. А. Кротенко

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯТОРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В статье рассмотрены основные виды повреждения изоляторов контактной сети. Представлена математическая модель контактной сети с изолирующими элементам, в виде выражений, описывающих длинную линию с распределенными параметрами. Предложены пути реализации методики и технических средств диагностирования изоляторов контактной сети постоянного тока.

В настоящее время срок эксплуатации большей части силового электрического оборудования тяговых подстанций России составляет не менее 25 лет, т. е. больше нормативного срока службы. Замена оборудования связана со значительными финансовыми затратами и происходит крайне медленно. Длительная эксплуатация электрооборудования приводит к ухудшению диэлектрических свойств высоковольтной изоляции и отказам.

Значительные динамические удары и вибрации в момент прохода электроподвижного состава способствуют быстрому старению изоляторов контактной сети по сравнению с изоляторами линий электропередач. При наличии запаса по электрической прочности полное повреждение одного из изоляторов в гирлянде может не вызывать сразу нарушения нормальной работы контактной сети. Однако постепенное накопление дефектных изоляторов ведет к перекрытиям, особенно в грозовой период, и нарушению графика движения поездов.

Основными видами повреждений изоляции контактной сети являются перекрытия изоляторов из-за их загрязнения, пробои изоляторов из-за нарушения изоляционной части, перекрытия изоляторов птицами, механические изломы стержневых изоляторов. Этим повреждениям способствуют скрытые дефекты изоляторов, наличие влаги в атмосфере и попадание ее в армировку изолятора, нагрев изоляторов солнечными лучами, загрязнение атмосферы различными химическими веществами, по которым происходит поверхностное перекрытие. Анализ распределения отказов в узлах изоляции по времени суток показывает, что практически большинство их (84 - 86 %) происходит в светлое (солнечное) время, т. е. когда осуществляется сначала нагрев (с 6 до 15 часов), а затем охлаждение (с 16 до 22 часов) материалов изолятора, имеющих различные коэффициенты линейного расширения (11-10-6 - для серого чугуна, 3-10-6 - для фарфора) [10]. Опыт эксплуатации показал, что срок надежной работы стержневого фарфорового изолятора не превышает 15 - 20 лет, после чего его необходимо заменить, иначе снижение механической прочности фарфора приводит к изломам изолятора.

Контактную сеть постоянного тока с изолирующими элементами принято рассматривать в виде линии с распределенными параметрами. Для решения задачи контроля изолирующих элементов и оперативного определения места их повреждения необходимо использовать современный математический аппарат, элементы моделирования с целью постановки и реализации измерительного эксперимента.

Поскольку каждый элемент гирлянды изоляторов обладает емкостью и проводимостью, напряжение вдоль линии распространяется неравномерно. В качестве расчетной берется модель однородной двухпроводной линии, описываемая выражениями:

06301360

ди _ о • дг

— — К^г + и —; дх дt

д* п ^ г ди

— — и§и + Со—, дх дt

где К0, Ь0, G0, С0 - первичные параметры линии.

Одним из эффективных способов решения дифференциальных уравнений с частными производными является способ с использованием преобразования Лапласа. Прямое преобразование (1) по переменной t приводит к уравнениям вида:

ди

дх дг

дх

= ^0( р)г (х р) - ад х,0);

70 (р)и( х, р) - С0и (х, 0),

где и(х,р), ¡(х,р) - изображения напряжения и тока по координате t; и(х,0), г(х,0) - установившиеся распределения при t = 0;

Zо(p) = К0 + ри; 70(р) = в0 + рС0.

Решение системы уравнений (2) позволяет определить двойные изображения напряжения и тока [1]:

и (д, р) — Ц (д, р) + и2 (д, р) —

qu

д2 - г2

+

д2 - г2

I р) — 11 (q, р) +12 (д, р) —

д/

д2 - Лр)

+

д2 - Лр)

где у(р) — ^20 (р)70 (р) - коэффициент распространения в операторной форме.

Обратное преобразование относительно X, т. е. переход к функциям и(х,х) и /'(х,х), осуществляется на основе обратного преобразования Лапласа, конечными являются выражения:

,(х, X) — - £

гт( x, х)—- £

и- (х, jk + и2 (х, jk

т т

ч 2л. ]к—X

е т ;

¡1 (х, jк —) + ¡2 (х, jk —) тт

1 2л, ]к—X

е т .

Величина т выбирается из выражения т > Хп, где хп - длительность переходного процесса.

На основе анализа выражений (1) - (4) можно заключить, что имитационное моделирование сводится к анализу схем замещения с учетом процессов прохождения прямой и отраженной волн. Условием правильного решения является подстановка адекватных значений первичных параметров линии.

Для более точного получения параметров прямой (падающей) и отраженной волн необходимо знать волновое сопротивление:

^ —

V

^ — 601п—, С г

зависящее от геометрических параметров объекта испытания.

и

Зная величину падающей волны (ипад), можно определить значение отраженной:

z0 + z U = —-1U .

отр пад

где ипад - величина подаваемого напряжения;

z и z2 - волновое сопротивление контактной сети до гирлянды и после нее.

Проверочные расчеты по выражениям (1) - (4) выполнены в программе MathCAD, в результате которых были получены графики изменения формы прямоугольных импульсов для различных моделей линии [2].

В качестве тестовых воздействий выбраны прямоугольные импульсы, имеющие непрерывный спектр высших гармоник. Поскольку объект исследования представлен комплексным сопротивлением, каждая из составляющих гармоник входного напряжения будет по-разному влиять на форму выходного сигнала.

Последовательность прямоугольных импульсов характеризуется длительностью, амплитудой и периодом следования единичного импульса.

Если за начало отсчета выбрать середину импульса, то сигнал разлагается только по косинусам. Частоты гармоник равны n/T , где n - любое целое число. Амплитуды гармоник

B = T J V (t )cos( wt )dt = 0.

T

т т

Так как VII) = Е при t < —, где т - длительность импульса и V(t) = 0 при t > —, то

Bi = 4 J V (t )cos( wft )dt = 4E Jcos(wt )dt.

wT'

Формулу (8) удобно записать в виде:

B. = 2E

т sm(w^

T т w

2

Формула (9) представляет зависимость амплитуды п-й гармоники от периода и длительности в виде непрерывной функции (функция sinc(х) = sin(х)). Эту функцию называют оги-

х

бающей спектра. Следует иметь в виду, что физический смысл она имеет только на частотах, где существуют соответствующие гармоники.

т

При построении огибающей можно отметить, что ) является осциллирующей

функцией частоты, а знаменатель монотонно возрастает с увеличение частоты, поэтому получается квазиосциллирующая функция с постепенным убыванием. При частоте, стремящейся к нулю, к нулю стремятся одновременно и числитель, и знаменатель выражения (9), их отношение стремится к единице (первый классический предел). Нулевые значения огиба-

тт

ющей возникают в точках, где ) = 0, т. е. ж— = т, где т - целое число (кроме т = 0).

Переходя от циклической частоты к частоте в герцах, получаем: 2п — = тп; ^ = т.

2 т

т

т

т

06301360

Огибающая ограничивает на графике амплитуды гармоник. Форма огибающей определяется формой и длительностью импульса, а частоты гармоник - только его периодом.

Таким образом, при испытаниях изоляторов контактной сети постоянного тока высокочастотный сигнал с высокой амплитудой можно заменить последовательностью прямоугольных импульсов меньшей частоты, что упрощает реализацию аппаратной части испытательного оборудования.

Существуют Т-образные и Г-образные схемы замещения участков линии, позволяющие учитывать индуктивное Ь0 и активное К0 сопротивления контактной подвески (продольные параметры линии), а также емкостную С0 и активную G0 составляющие сопротивления изоляции (поперечные параметры линии). В работе исследована Т-образная схема замещения, она представлена на рисунке 1.

Lо/2 Rо/2 ^/2 Lо/2

Рисунок 1 - Т-образная схема замещения участка тяговой сети

Были проведены исследования в лабораторных условиях с подвесными тарельчатыми изоляторами прибором, анализирующим формы прямоугольных импульсов высокого напряжения. Исследования показали, что по отклику от подаваемых на них электрических прямоугольных импульсов можно выявить диагностические признаки неисправных гирлянд с дефектными изоляторами. Среди известных аналогов преобладают приборы, основанные на анализе схем с сосредоточенными параметрами [3]. Согласно предложенной методике разработан опытный образец прибора для диагностирования изоляции контактной сети постоянного тока железнодорожного транспорта. Структурная схема измерительного комплекса представлена на рисунке 2.

ПК

ФГ ВБ од ИП цо

Рисунок 2 - Структурная схема измерительного комплекса: ПК - персональный компьютер; ФГ - функциональный генератор; ВБ - высоковольтный блок; ОД - обьект диагностирования; ИП - измерительный преобразователь; ЦО - цифровой осциллограф

Внешний вид разработанного прибора представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Внешний вид измерительного комплекса: 1 - цифровой осциллограф АСК-3151;

2 - прибор контроля изоляции (функциональный генератор и высоковольтный блок);

3 - неисправный изолятор; 4 - высоковольтный преобразователь вольтметра В7-40/4;

5 - осциллограф С1-77; 6 - вольтметр В7-40/4

Осциллограммы исправного и дефектного изоляторов представлены на рисунках 4 и 5. Дефектный изолятор имеет большую постоянную времени при переходе прямоугольного импульса с высокого уровня на низкий. Параметры прямоугольного импульса: и1 = 1000 В, f = 1 Гц, коэффициент высоковольтного делителя £ц = 0,001.

Рисунок 4 - Осциллограмма напряжения исправного изолятора

№ 4(12) 2012

Рисунок 5 - Осциллограмма напряжения дефектного изолятора

Эффективность контроля изоляции зависит от величины испытательного напряжения. Для ее обеспечения используются функции распределения пробивных напряжений для дефектной и нормальной изоляции. По кривым распределения пробивных напряжений определяется интервал значений данной величины, что позволит более точно определить место повреждения.

Рассмотренный метод диагностирования позволяет выявить неисправности изоляторов, полученные в результате механического воздействия на них (сколы, трещины, деформации).

Работы, выполняемые по предложенной технологии, позволяют сократить время на поиск и устранение неисправностей изоляции контактной сети железных дорог постоянного тока. Диагностирование состояния изоляции контактной сети постоянного тока можно будет проводить с помощью дополнительного оборудования, установленного в вагоне-лаборатории контактной сети (ВИКСе) или непосредственно на тяговых подстанциях.

Список литературы

1. Зажирко, В. Н. Способ моделирования волновых процессов в тяговых сетях [Текст] / В. Н. Зажирко // Разработка и исследование автоматизированных средств контроля и управления для предприятий ж.-д. транспорта: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 1999. - С. 6 - 11.

2. Серебряков, А. В. MathCAD и решение задач электротехники [Текст] / А. В. Серебряков, В. В. Шумейко. - М.: Маршрут, 2005. - 240 с.

3. Основные результаты испытаний опытного образца устройства контроля состояния электрической изоляции оборудования тяговых подстанций [Текст] / А. П. Сухогузов, И. А. Пятецкий и др. // Транспорт Урала. - 2009. - № 3 (22). - С. 94 - 99.

4. Альтман, Е. А. Повышение точности оценки параметров сигналов в электрической сети в системе тягового электроснабжения [Текст] / Е. А. Альтман, Д. А. Елизаров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 3 (11). - С. 95 - 100.

5. Кузнецов, А. А. Диагностирование изоляции участка контактной сети железных дорог постоянного тока [Текст] / А. А. Кузнецов, А. Д. Родченко, А. Ю. Кузьменко // Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - С. 286 - 290.

6. Каталог изоляторов для контактной сети и ВЛ электрифицированных железных дорог [Текст] / Специальное конструкторско-технологическое бюро по изоляторам и арматуре. -М.: Трансиздат, 2000. - С. 10 - 19.

7. Об электромагнитных и акустических излучениях неисправных гирлянд изоляторов контактной сети железной дороги [Текст] / С. М. Куценко, Н. Н. Климов и др. // Радиолокация, навигация, связь: Сб. докл. X междунар. науч.-техн. конф. / НПФ «САКВОЕЕ» ООО. -Воронеж, 2004. - Т. 1. - С. 712 - 720.

8. Молчанов, В. В. Новые технологии и оборудование контроля и диагностирования железнодорожной техники [Текст] / В. В. Молчанов, В. Г. Шахов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 4 (4). - С. 116 - 120.

9. Любченко, А. А. Анализ процессов технического обслуживания элементов сложных технических систем [Текст] / А. А. Любченко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 1 (5). - С. 88 - 94.

10. Егоров, В. В. Техника высоких напряжений. Перенапряжения в устройствах электрической тяги. Профилактическое испытание изоляции [Текст] / В. В. Егоров. - М.: Маршрут, 2004. - 188 с.

УДК 629.423.32

М. Ю. Пустоветов

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛА НЕЙТРАЛЬНОЙ ТОЧКИ НАГРУЗКИ И ТОКОВ УТЕЧКИ В ТЯГОВОМ АСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Использование в современных преобразователях частоты импульсной технологии формирования напряжения на клеммах асинхронного двигателя привело к принципиально иной, по сравнению с питанием от источника синусоидального напряжения, ситуации в отношении количественных уровней электромагнитных помех и токов утечки. В большинстве случаев в качестве тяговых преобразователей на электровозах с асинхронным приводом используется двухуровневый трехфазный автономный инвертор напряжения (АИН) с жесткой коммутацией, выполненный по мостовой схеме. В статье рассматривается механизм формирования потенциала нейтральной точки нагрузки, фазы которой соединены по схеме «звезда», и возникающих, как следствие, токов утечки для случая электровоза постоянного тока на примере промышленного электровоза НПМ2. Результаты компьютерного моделирования, проведенного автором, показали, что специфика подключения АИНа электровозов постоянного тока к контактной сети создает условия, когда амплитуда потенциала нейтральной точки обмотки статора тягового асинхронного двигателя (АД) равна амплитуде напряжения фазы, что способствует возможности протекания значительных токов утечки и ухудшению электромагнитной совместимости. При выборе изоляции подшипников тягового АД следует принимать во внимание значительную величину напряжения вала.

В работе [1] описана схема АИНа, изображенная на рисунке 1, т. е. с заземленной средней точкой входного источника постоянного напряжения, а также представлены эпюры потенциалов и напряжений и алгоритм работы ключей АИНа для этого случая.

Приняв условные обозначения аналогично представленным в источнике [1], запишем основные соотношения для напряжений АИНа: фс, фь, фа - потенциалы относительно земли выходных клемм соответствующих фаз АИНа; иаЬ, иЬс, иса - линейные (междуфазные) напряжения на нагрузке; ф 0 - потенциал нейтральной точки нагрузки, соединенной по схеме «звезда», относительно земли; иа - входное постоянное напряжение АИНа; иа, иь, ис -фазные напряжения на нагрузке; Za, Zb, Zc - комплексные сопротивления фаз нагрузки;

УТ1, УТ 2, УТ 3, УТ 4, УТ 5, УТ 6 - транзисторные ключи АИНа; УD1, VD 2, УD3, VD 4, VD5 , УD6 - встречно-параллельные диоды АИНа.

06301360