Исследование электростатического поля на гирляндах изоляторов контактной сети

References

1. Jameson E., Muller T., Ballhaus U., Kraus V., Belocerkovskiy O. Chislennie metodi v dina-mike jidkosti (Numerical methods in fluid dynamics). Moscow: Mir Publ., 1985, 54 p.

2. Patrick J. Roache Vychislitelnaya gidrodinamika (Computational Fluid Dynamics). Moscow: Mir Publ., 1980, 616 p.

3.Paskonov V. M., Polejaev V. I., Chudov L. A., Chislennoe modelirovaniyaprocessov teplo i massoobmena (Numerical modeling of heat and mass transfer). Moscow: Nauka Publ., 1984, 288 p.

4. Sokolov M. M., Varava V. I., Levit G. M., Gasiteli kolebaniy podvijnogo sostava (Vibration dampers of rolling stock). Moscow: Transport Publ., 1985, 216 p.

5. Chelnokov I. I., Gidravlicheskie gasiteli kolebaniy passajirskih vagonov (Hydraulic dampers of passenger cars). Moscow: Transport Publ., 1975, 73 p.

6. Glushenko A. D., Faizibaev Sh. S., Khromov S. A. Model and numeric investigation of impuls contact fields of interface layers (Boundary Element Technology XIV). - Orlando, 2001, pp.257 - 263.

7. Faizibaev Sh. S., Khromova G. A., Khromov S. A., Mahbubov A. R. The algorithm for numerical studies hydraulic shock absorbers (dampers) for high-speed electric vehicles [Algoritm dlya chislennix issledovanij gidravlicheskix gasiteley kolebanij dlya visokoskorostnogo elektricheskogo trasporta]. Sbornik trudov Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Lokomotivy XXI vek» (In proceedings of the International scientific-practical conference «Locomotives XXI century»). - St. Petersburg, 2013, pp. 77 - 79.

УДК 621.315:621.317

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

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ГИРЛЯНДАХ ИЗОЛЯТОРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

В статье рассмотрены основные виды повреждений изоляторов контактной сети, приведена статистика по их отказам. Выявленные недостатки в существующих методах диагностирования говорят об актуальности проблемы, особенно на участках железных дорог постоянного тока. Произведены экспериментальные исследования по измерению напряженности электростатического поля на гирляндах изоляторов. Анализ проведенных исследований показал, что наличие в гирлянде неисправных изоляторов приводит к увеличению напряженности электростатического поля вокруг них.

Предложены техническое устройство бесконтактного измерения электростатического поля и методика определения неисправного изолятора в гирлянде.

Определяющими причинами отказов контактной сети, влияющими на безопасность движения в хозяйстве электрификации и электроснабжения, являются перекрытие и разрушения изоляторов контактной сети (21 %), обрывы и пережоги проводов (19 %), разрушение зажимов (11 %), нарушение регулировки контактной сети (10 %), обрывы струн (7 %) [1].

На участках контактной сети постоянного тока преимущественно используются подвесные фарфоровые изоляторы тарельчатого типа. Повреждения фарфоровых подвесных изоляторов приводят к сбою движения поездов, а в некоторых случаях и к большим перерывам, необходимым для восстановления поврежденных конструкций. Среди общего числа неисправностей подвесных изоляторов контактной сети преобладающими являются механические повреждения. Подобные разрушения изоляторов часто происходят при неблагоприятных метеорологических условиях (в период сильных ветров и автоколебаний проводов, при низкой температуре окружающей среды).

54 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №.1!251)

Основные причины разрушения подвесных изоляторов: ограниченная механическая прочность при ударных нагрузках; быстрое старение в эксплуатации; недостатки конструкций фиксирующих узлов; нарушение норм содержания; случаи, не связанные с эксплуатацией [6].

Недостаточная механическая прочность подвесных изоляторов при их защемлении и воздействии ударных нагрузок приводит к разрушению фарфора. Снижение механической прочности некоторых изоляторов при длительной эксплуатации обычно происходит из-за возникновения значительных напряжений в месте сопряжения фарфора, цементной заделки и металлической арматуры в связи с разными коэффициентами температурного расширения этих материалов. В таких местах в фарфоре возникают микро- и макротрещины, со временем развивающиеся и снижающие механическую прочность всего изолятора. Максимальная потеря прочности происходит при низкой температуре окружающей среды [2].

Прочность изолятора уменьшается также из-за постоянных ударных нагрузок, передающихся на изолятор при эксплуатации. В таких случаях в фарфоре также возникают скрытые трещины, которые затем развиваются. Скрытость дефектов, которые нельзя обнаружить ни визуально, ни электрическими испытаниями, наиболее опасна в эксплуатации.

Одна из возможных конструкций подвесного тарельчатого изолятора [3] представлена на рисунке 1.

На рисунке в масштабе указаны точки, характеризующие распределение электростатического поля вокруг изолятора, находящегося под действием постоянного напряжения. Точки а, Ь и с находятся на расстоянии 5, 10 и 15 см от шапки изолятора соответственно. Точки ё, е и / находятся на расстоянии 2, 5 и 10 см от изолирующего тела изолятора соответственно. Точка g находится в 15 см от пестика изолятора.

Рисунок 1 - Схема подвесного изолятора: 1 - изолирующее тело изолятора; 2 - шапка изолятора; 3 - пестик; 4 -песочно-цементная связка; 5 - прокладка; 6 - пружинный замок; 7 - паз; N1, Ы2 - направление силы нормального давления; а - g - характерные точки измерения напряженности электростатического поля

Внешний вид подвесных фарфоровых изоляторов тарельчатого типа приведен на рисунке 2.

Основным видом контроля изоляции контактной сети в процессе эксплуатации является осмотр при обходах и объездах вагоном-лабораторией [4]. На участках железных дорог переменного тока получили распространение дистанционные методы диагностирования изоляторов контактной сети. Однако все они имеют существенные недостатки.

а б в

Рисунок 2 - Внешний вид подвесных фарфоровых изоляторов

№21(251) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 55

Методы просвечивания подразумевают вывод диагностируемой гирлянды из обращения. Такой метод требует значительных временных затрат и введения дополнительных «окон» на действующих участках контактной сети. Ультразвуковая дефектоскопия является сложным методом диагностирования. Только работник с большим опытом сможет выявить неисправность в гирлянде таким способом. Тепловизионная дефектоскопия позволяет диагностировать гирлянды только в темное время суток. Ни один из этих методов не получил распространения на участках постоянного тока.

Фарфоровые тарельчатые изоляторы на участках постоянного тока диагностируют при помощи измерительной штанги типа ШИ -10 с изолирующей рабочей площадки съемной вышки или автомотрисы [5]. Для диагностирования гирлянды с тремя изоляторами штанга оборудуется приставкой с двумя щупами.

Измерение осуществляется касанием щупами штанги одновременно по обе стороны изолятора гирлянды поочередно: первым - со стороны контактной сети (напряжения), вторым - со стороны заземляющих конструкций, а затем - средних изоляторов. Изоляторы, имеющие сопротивление 300 МОм и менее и ток утечки 10 мкА и более, считаются дефектными. В этих случаях стрелка измерительного прибора будет уходить вправо за красную предельную отметку и будет загораться неоновая лампа-индикатор.

Схема диагностирования изоляторов при помощи измерительной штанги приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема диагностирования изоляторов в гирлянде: 1, 2, 3, 4 - последовательность

проверки изоляторов в гирлянде

Такой метод диагностирования является контактным и подразумевает непосредственное соприкосновение измерительной штанги и гирлянды изоляторов, находящейся под напряжением 3 кВ. Даже при соблюдении всех принятых мер безопасности такая методика требует высокой квалификации обслуживающего персонала.

В связи с этим была разработана методика бесконтактного диагностирования гирлянд контактной сети постоянного тока с использованием прибора СТ-01. Измеритель СТ-01 предназначен для измерения напряженности электростатического поля на различных расстояниях от его источника.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории «Техника высоких напряжений и электротехнических материалов» (ТВН) кафедры «Электроснабжение желез-

56 ИЗВЕСТИЯ Транссиба-

нодорожного транспорта» ОмГУПСа. Схема проведения эксперимента представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема проведения эксперимента: 1, 2, 3 - изоляторы в гирлянде; 4 - источник постоянного напряжения 3 кВ; 5 - измеритель СТ-01

На гирлянду изоляторов подавалось постоянное напряжение 3 кВ от источника типа АИД-70. В первом опыте измерялась напряженность электростатического поля на исправной гирлянде. Сопротивление каждого изолятора - 300 МОм, емкость порядка 50 - 70 пФ. Полученные данные приведены в таблице 1. Детальное исследование распределения поля вокруг изолятора показало, что наиболее информативными являются значения, измеренные в непосредственной близости от изолирующего тела изолятора (характерные точки ё, е и/на рисунке 1).

Таблица 1 - Результаты измерения электростатического поля на исправной гирлянде изоляторов

Номер изолятора в гирлянде Расстояние от изолирующего тела изолятора, см Ет, кВ/м

2 4,19

1 5 2,44

10 1,67

2 7,25

2 5 4,29

10 2,35

2 11,1

3 5 6,0

10 3,45

Далее один из изоляторов в гирлянде менялся на неисправный, его сопротивление -500 кОм и емкость - 5 - 10 пФ. Сначала был рассмотрен наиболее часто встречающийся случай, когда неисправен ближайший к токоведущим проводам изолятор (№ 3 на рисунке 4). Данные приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты измерения электростатического поля с третьим неисправным изолятором

Номер изолятора в гирлянде Расстояние от изолирующего тела изолятора, см Ет, кВ/м

2 3,91

1 5 2,82

10 1,94

2 8,25

2 5 4,92

10 3,35

2 19,1

3 (неисправен) 5 7,74

10 4,26

№ 1(21) ЛЛИ С ИЗВЕСТИЯ Транссиба 57

=2015

Далее неисправный изолятор устанавливался в положение 2 и 1 (см. рисунок 4). Данные этих экспериментов приведены в таблицах 3 и 4 соответственно.

Таблица 3 - Результаты измерения электростатического поля со вторым неисправным изолятором

Номер изолятора в гирлянде Расстояние от изолирующего тела изолятора, см Em, кВ/м

2 7,23

1 5 3,77

10 2,04

2 15,8

2(неисправен) 5 6,46

10 3,27

2 7,46

3 5 3,49

10 2,61

Таблица 4 - Результаты измерения электростатического поля с первым неисправным изолятором

Номер изолятора в гирлянде Расстояние от изолирующего тела изолятора, см Em, кВ/м

1 2 3

2 7,42

1(неисправен) 5 2,65

10 1,49

2 4,17

2 5 2,99

10 1,77

2 9,6

3 5 5,16

10 2,45

На основе полученных данных можно сделать вывод о том, что наличие неисправного изолятора в гирлянде приводит к увеличению напряженности электростатического поля вокруг гирлянды. Величина напряженности электростатического поля зависит от расстояния, на котором производятся измерения. Для стабилизации результатов измерений распределения поля вокруг гирлянд изоляторов предложено новое устройство бесконтактного диагностирования.

Структурная схема предложенного устройства приведена на рисунке 5. Устройство разработано на основе прибора СТ-01. В состав устройства дополнительно введены три блока преобразования (БП1 - БП3), блок коммутации (БК), измерительная штанга (ИТТТ), которые последовательно подключаются к блоку управления и индикации (БУИ) и логическому блоку (БЛ).

Логический блок выдает результат контроля гирлянды изоляторов И1, И2, И3 путем сравнения измеренных сигналов, пропорциональных напряженности поля, с пороговыми значениями дефектных изоляторов.

Совместно с методом дистанционного диагностирования, описанного в работе [8], данные разработки позволят качественно улучшить процесс выявления дефектных изоляторов, сократив трудовые и временные затраты обслуживающего персонала.

Список литературы

1. Анализ работы хозяйства электрификации и электроснабжения в 2013 г. [Текст] / Управление электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры филиала ОАО «РЖД». - М.:, 2014. - 100 с.

58 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(21) 2015

=

Рисунок 5 - Структурная схема устройства диагностирования гирлянды изоляторов

2. Михеев, В. П. Контактные сети и линии электропередачи [Текст] / В. П. Михеев. М.: Маршрут, 2003. - 416 с.

3. Каталог изоляторов для контактной сети и ВЛ электрифицированных железных дорог [Текст]. - М.: Трансиздат, 2000.

4. Нормативно-методическая документация по эксплуатации контактной сети и высоковольтных воздушных линий: Справочник [Текст]. - М.: Транспорт, 2001. - 512 с.

5. Технологические карты для работы по содержанию и ремонту устройств контактной сети электрифицированных железных дорог. Техническое обслуживание и текущий ремонт [Текст] / МПС РФ, Департамент электрификации и электроснабжения. - М., 1999. - 427 с.

6. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст] / К. Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

7. Разевиг, Д. В. Техника высоких напряжений [Текст] / Д. В. Резевиг. - М.: Энергия, 1976. - 488 с.

8. Кузнецов, А. А. Моделирование процесса дистанционного диагностирования изоляторов контактной сети [Текст] / А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. 2014. - № 4 (20). - С. 92 - 97.

References

1. Analiz raboty khoziaistva elektrifikatsii i elektrosnabzheniia v 2013 g. (Analysis of the farm electrification and power supply in 2013). Moscow, 2014, 100 p.

2. Mikheev V. P. Kontaktnye seti i linii elektroperedachi (The contact network and power lines). Moscow: Marshrut, 2003, 416 p.

3. Katalog izoliatorov dlia kontaktnoi seti i VL elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog (Product insulators for overhead lines and contact network of electrified railways). Moscow: Transizdat, 2000.

4. Normativno - metodicheskaia dokumentatsiia po ekspluatatsii kontaktnoi seti i vyso-kovol'tnykh vozdushnykh linii. Spravochnik (Normative - methodical documentation manual contact network and high-voltage air-lines. Directory). Moscow: Transport, 2001, 512 p.

5. MPS RF, Departament elektrifikatsii i elektrosnabzheniia. Tekhnologicheskie karty dlia raboty po soderzhaniiu i remontu ustroistv kontaktnoi seti elektrifitsirovannykh zhe-leznykh dorog. Tekhnicheskoe obsluzhivanie i tekushchii remont (Railway Ministry, the Department of electrification and power supply. Routings to work on maintenance and repair of the contact network of electric-useful to the roads. Maintenance and repair services). Moscow, 1999, 427 p.

6. Markvardt K. G. Elektrosnabzhenie elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog (Power supply of electrified railways). Moscow: Transport, 1982, 528 p.

7. Razevig D. V. Tekhnika vysokikh napriazhenii (Technics of high pressure). Moscow: Ener-giia, 1976, 488 p.

8. Kuznetsov A. A., Kuz'menko A. Iu. Modeling of remote diagnostics of insulators catenary [Modelirovanie protsessa distantsionnogo diagnostirovaniia izoliatorov kontaktnoi seti]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 4 (20), pp. 92 - 97.

УДК 621.311.001.57

В. Л. Незевак, А. П. Шатохин, О. В. Гателюк

ОПТИМИЗАЦИЯ ГРАФИКА ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ ПО КРИТЕРИЮ РАСХОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ТЯГУ

НА УЧАСТКАХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

В статье рассматривается подход к оценке влияния на расход электроэнергии на тягу поездов параметров графика движения в условиях применения рекуперативного торможения. Поиск варианта с минимальным

ИЗВЕСТИЯ Транссиба 59