Метод определения коррозионного состояния подземной части железобетонных опор контактной сети Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

7. Kontrol' sostoianiia i diagnostika mashin. Monitoring sostoia-niia oborudovaniia opasnykh proizvodstv. Poriadok organizatsii, GOSTR 53563-2009 ( Condition monitoring and diagnostics of machines. Monitoring, consisting of hazardous production equipment. The order of organization, State Standart R 53563-2009). Moscow: Standartinform, 2010, 5 p.

8. Asai K., Vatada D. Prikladnye nechetkie sistemy (Applied fuzzy systems). Moscow: Mir, 1993, 368 s.

9. Kostiukov V. N., Shchelkanov, A. V. Model electric pneumatic system [Model' pnevmaticheskoi sistemy elektropoezda]. Materialy II vserossiyskoy NTK «Tekhnologiche-skoe obespechenie remonta i povyshenie dinamicheskikh kachestv zh/d podvizhnogo sostava» (Proceedings of the II All-Russia NTC «Technological-mechanical maintenance of the repair and improvement of the dynamic properties of railway rolling stock»). - Omsk, 2013, pp. 67 - 75.

10. Kostiukov V. N., Kostiukov A. V. The automated control system of safe resource-eksplua tatsiey and repair of rolling stock equipment suburban passenger com-plex (ACS BERTM MVPS) [Avtomatizirovannaia sistema upravleniia bezopasnoi resursosberegaiushchei eksplua-tatsiei i rem-ontom oborudovaniia podvizhnogo sostava prigorodnogo passazhirskogo kom-pleksa (ASU BERTM MVPS)] Tekhnika zheleznykh dorog - Technique is useful to roads, 2013, no. 1, pp. 62 - 66.

УДК 621.316.973

В. А. Кандаев, А. В. Пономарев, К. В. Авдеева, А. В. Колесник

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ

ПОДЗЕМНОЙ ЧАСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ

В статье проведен анализ состояния опорного хозяйства и показано, что замена железобетонных опор должна осуществляться с учетом их фактического коррозионного состояния. Предложен новый метод определения коррозионного состояния подземной части железобетонных опор контактной сети, позволяющий проводить измерения на двух опорах одновременно. При этом вторая опора выступает в качестве токового электрода. На основе анализа переходного процесса для схемы замещения опоры контактной сети выведены формулы для определения сопротивления бетона, сопротивления и емкости границы раздела «арматура - бетон». По значениям этих параметров определяют коррозионное состояние опоры в подземной части. Использование предложенного метода позволит значительно сократить временные и трудовые затраты на проведение диагностических процедур.

Опоры контактной сети являются стратегически важными объектами инфраструктуры ОАО «Российские железные дороги», так как от их надежности напрямую зависит безопасность движения поездов. Падение опоры приводит к повреждению или обрыву контактной сети и, как следствие, к задержкам поездов и значительным материальным затратам, а иногда и к более серьезным последствиям.

В настоящее время парк опор контактной сети на 93 % состоит из железобетонных и на 7 % из металлических опор [1]. Около 30 случаев нарушений работы контактной сети в год вызвано отказом опор. С целью снижения риска непредвиденного отказа ежегодно принимаются меры по замене дефектных опор и опор, находящихся в эксплуатации более 40 лет (изменение их количества отображено на рисунке 1).

В соответствии с принятым ОАО «РЖД» планом поэтапной замены дефектных опор контактной сети на период 2013 - 2015 гг. ежегодно осуществляется замена порядка десяти тысяч опор, среди которых встречаются как остродефектные, так и бездефектные (рисунок 2).

На некоторых дорогах доля бездефектных опор среди замененных может достигать 80 % и более. В среднем по дороге из всех замененных опор 55 % оказываются дефектными и остродефектными, а 45 % могли бы находиться в эксплуатации еще длительное время.

54 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(25) ОП4 С

■ I = 2U10

Таким образом, можно сделать вывод о том, что замена опоры должна осуществляться с учетом не ее возраста, а фактического коррозионного состояния. По этой причине задача совершенствования известных и разработки новых методов определения коррозионного состояния опор контактной сети является актуальной.

100— — -—■ — — — — — — — — -

0 1,1 1,1 I 1,1 1,1 1,1 1.1 1.1 I I I

2001 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 год 2014

-■»I

Рисунок 1 - Количество опор, находящихся в эксплуатации более 40 лет

■ — остродефектные (5 %):

— дефектные (78 %);

— бездефектные (17 %)

Рисунок 2 - Фактическое состояние ежегодно заменяемых опор контактной сети

В настоящее время известен метод определения коррозионного состояния подземной части железобетонных опор [2], включающий в себя определение в переходном режиме сопротивления бетона, сопротивления и емкости границы раздела «арматура - бетон», характеризующих коррозионное состояние их подземной части. Хотя данный метод позволяет определить коррозионное состояние арматуры и бетона в подземной части опоры с высокой степенью достоверности, он имеет ряд недостатков. Во-первых, для измерений необходимо установить токовый электрод, во-вторых, при определении емкости границы раздела необходимо знать сопротивление растекания токового электрода.

В данной статье предлагается усовершенствованный метод определения коррозионного состояния подземной части железобетонных опор контактной сети, лишенный указанных выше недостатков.

Схема измерений, реализующая предлагаемый метод, представлена на рисунке 3.

Аккумуляторную батарею 1 и электронный ключ 2 подключают через шунты между арматурами двух соседних опор (№ 1 и № 2), поляризуют опоры в течение промежутка времени Л^ затем размыкают ключ. При этом с помощью запоминающих осциллографов 4 и 4' синхронно на обеих опорах выполняют измерения потенциала арматуры относительно медно-сульфатного электрода сравнения и тока, протекающего через арматуру опоры. Поляризующий потенциал арматуры опоры № 2 будет противоположен по знаку потенциалу арматуры опоры № 1 .

В соответствии со схемой замещения опоры контактной сети [2] составим расчетную схему, представленную на рисунке 4.

№ 1(25) ЛЛ4 Л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 55

_2016= ■

Опора представлена элементами Ес, Кгр, Сгр и Кб. Сопротивление границы раздела Крр характеризует интенсивность окислительного процесса, емкость Сгр создается на границе раздела «металл - электролит», при этом одной обкладкой является металл арматуры, другой -жидкий приэлектродный слой из диссоциированных полярных молекул. Электрохимический потенциал Ес представляет собой собственный потенциал арматуры относительно медно-сульфатного электрода сравнения. Сопротивление бетона Кб определяется состоянием бетона.

Рисунок 3 - Схема измерений: 1 - аккумуляторная батарея; 2 - электронный ключ; 3 и 3' - шунты; 4 и 4' - запоминающие осциллографы; 5 и 5' - электроды сравнения

Ь Зш!

а

К

пр

d Кш2

Е

с1

К

гр1

К

С

гр1

Кб1 г Кр1 Кр2 -Г Кб2 [

_ р2 /

а—сгнч

сгь

гр2 /-^Ес2 Сгр2

е

Рисунок 4 - Расчетная схема: Е - ЭДС источника питания; Кш - сопротивление шунта; Кдр - сопротивление соединительных проводов; Кб - сопротивление бетона; Кгр - сопротивление границы раздела «арматура - бетон»; Сгр - емкость границы раздела «арматура - бетон»; Ес - электрохимический потенциал на границе раздела

«арматура - бетон»; Кр - сопротивление растеканию опоры

При выполнении измерений длительность поляризации арматуры опор Л1 выбирают такой, чтобы процесс, предшествующий размыканию ключа, можно было считать установившимся. Тогда ток в цепи до коммутации

¿(0-) =-Е + Ес1 ~ Ес2-. (1)

Кп1 + Кр1 + + Кр1 + ^р2 + К>2 + Кр2 + Кп2 + Кр

56 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1 (25) ОП4 С

2016

Напряжение, измеряемое между точками а - Ь, с - Ь, й - е и/- е,

иаЬ (0-) = /(0-)^;

(0-) = -/(0-) (Rpi + R61) + Ей; uA (0-) = -/(0-)Rn2; u, (0-) = /(0-) (R^ + R62) + EC2.

(2)

(3)

(4)

(5)

По закону Кирхгофа напряжение на емкости границы раздела определяется следующим образом:

u

= -/rrр + ec.

Тогда напряжение на емкостях до коммутации

ыС1 (0-) = -/(0-) + ^;

u^ (0-) = /(0-) Rp2 + Ec2.

(6)

(7)

(8)

Ключ считаем идеальным. После размыкания ключа ток /(0+) = 0.

В соответствии с законом коммутации напряжение на емкости ис(0-) = ис(0+). Тогда напряжение после коммутации между точками с - Ь и /- е

ucb(0+) = uCi (0+) = -/(0-)Rrpi + Ed;

U/e (0+) = uc2 (0+) = /(0-)Rrp2 + Ec2.

(9) (10)

После размыкания ключа емкость Сгр будет разряжаться через сопротивление границы раздела «арматура - бетон» При этом постоянная времени цепи определяется по соотношению:

* = ^Ср.

Принужденные составляющие напряжения вычисляются по формулам:

ucb пр = Ec1>

u/епр = Ec2 *

(11)

(12) (13)

Общий вид осциллограмм на опорах № 1 и № 2 представлен на рисунке 5, момент времени ^ = 0+.

Решение для напряжения между арматурой опоры и медно-сульфатным электродом сравнения может быть записано в виде:

u(t) = unp + Aie т.

(14)

Коэффициент А1 определим при постановке в выражение (14), записанное для момента времени I = 0+, выражений (9), (12) и (10), (13). Учитывая уравнение (11), напряжения между арматурой опоры и медно-сульфатным электродом сравнения после коммутации определяют следующим образом:

ucb (t) = Ecl -/(0-)R^e

Rrp1^rp1 .

№ 1(25) ЛЛ л f* Г11Г1П Till Транссиба 57

=2016 ■

и/е (*) = Ес2 + ¿(0-)Кгр2е

Введем следующие обозначения:

^)=ись);

«2 О") = П/е (0 .

(17)

(18)

и

ись(^\)=^± * — —. г ,4,-К—

ись

пр

I 1 '—' ' I ' ' ' '—!■■■■!

исЬ ('с

и

и/е(0+) и/е(Н)

и/е(0-)

2

и/е ^0 +Т2)

и/е

е пр,

Ude(0-)

б

Рисунок 5 - Общий вид осциллограмм на опорах № 1 (а) и № 2 (б): кривая 1 - напряжение на шунте; кривая 2 - напряжение на арматуре опоры относительно медно-сульфатного электрода сравнения

Выразим сопротивление бетона подземной части опоры из выражений (3), (9) и (5), (10):

Кб1 =

Кб2 -

их (0+) - их (0-) , ¿(0-) ; и2(0+) - и2(0-) ¿(0-) .

(19)

(20)

Значения сопротивления границы раздела «арматура - бетон» рассчитаем по выражениям (9) и (10):

-

«1(0+) - Ел . -¿(0-) '

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

(21)

№ 1 (25) 2016

Кгр2Сгр2

г

а

г

^гр2 "

U 2(0+) - E

с2

i(0-)

По расчетным значениям

U1(t0 +Т1) = Ec1 +

ui(0+) - Ес1 _

(22)

(23)

U2(t0 +T2) = Ec2 +

^2(0+) - Ec

c2

(24)

на осциллограмме (см. рисунок 5) определяем момент времени соответствующий значению напряжения щ (У0 + тх) для опоры № 1 и и2 (Уо + Т) для опоры № 2. Постоянная времени определяется по формуле:

т = У2 - У0. (25)

Емкость границы раздела «арматура - бетон» определяется по выражению (11):

т

Сгр =

Rp

(26)

Емкость границы раздела можно определить, зафиксировав на осциллограмме произвольный момент времени ^ и значение напряжения в этот момент времени:

Ui(ti) = Ed -/(0-)Riple

(27)

= Ec2 + /(0-)Rp2e ^ . Значения напряжения в момент времени t0 = 0+ вычисляются по уравнениям:

ЫО = Ed - i(0-)R^i;

u2(t0) = Ec2 + i(0 )Егр2 .

Емкость границы раздела в этом случае определяется по формулам:

C =

Сгр1

t1 t0

4(0 - E^

ui(t1) - Ec1

(28)

(29)

(30)

(31)

Сгр2

t1 t0

RJn

^ U2 (t0 ) Ec2 ^ U2(t1) - Ec

c2 У

(32)

Оценка коррозионного состояния подземной части железобетонных опор № 1 и № 2 производится по полученным значениям сопротивления бетона, сопротивления и емкости границы раздела «арматура - бетон».

Для проверки предложенного метода определения сопротивления бетона и параметров границы раздела «арматура - бетон» в переходном режиме были проведены измерения тока и потенциала двухполюсника, собранного из дискретных элементов по схеме, приведенной на рисунке 4. Погрешность определения элементов схемы не превышает 10 %.

Таким образом, представленный метод позволяет с достаточной точностью определить электрохимические параметры границы раздела «арматура - бетон».

№ 1(25) 2016

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

e

e

"гр1Сгр1

Преимуществом предлагаемого метода является возможность проведения измерений на двух опорах одновременно за счет того, что вторая опора служит токовым электродом для первой и измерения выполняются синхронно на обеих опорах. При этом как минимум в два раза сокращаются временные затраты на проведение диагностических процедур.

Список литературы

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

2. Котельников, А. В. Блуждающие токи и эксплуатационный контроль коррозионного состояния подземных сооружений систем электроснабжения железнодорожного транспорта [Текст]: Монография / А. В. Котельников, В. А. Кандаев / УМЦ ЖДТ РФ. - М., 2013. - 552 с.

References

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

2. Kotelnikov A. V., Kandaev V. A. Bluzhdaucshie toki i ekspluatazionnii control korrozion-nogo sostojanija podzemnih sooruzhenii system elektrosnabzhenuja zheleznodorozhnogo transporta (Stray currents and corrosion state operational control of underground structures of railway transport power supply systems): Monograph. Moscow: UMZ SHDT RF, 2013. 552 p.

УДК 621.331.629.4

В. Т. Черемисин, М. М. Никифоров, А. С. Вильгельм

МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ РЕКУПЕРАЦИИ

В статье приведен анализ составляющих энергетической эффективности рекуперативного торможения и факторов, влияющих на эффективность применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации. Описаны методы оценки энергетической эффективности рекуперации и результаты экспериментальных исследований эффективности рекуперации. Выполнено обоснование использования метода имитационного моделирования как способа оценки потенциала рекуперативного торможения. Представлена последовательность выполнения работ.

Общеизвестно, что рекуперативное торможение обеспечивает безопасность движения поездов и одновременно с этим повышает энергетическую эффективность электрической тяги. Поэтому на сети железных дорог ежегодно ставится задача по повышению объема рекуперированной энергии. Однако до последнего времени не ставилась цель оценки энергетической эффективности рекуперации. Понятие энергетической эффективности рекуперации можно разделить на два основных направления:

энергетическая эффективность применения рекуперативного торможения. Показателем эффективности в этом случае является объем рекуперируемой электроподвижным составом (ЭПС) электроэнергии (удельная величина и процент от потребления на тягу);

энергетическая эффективность использования энергии рекуперации. Показателем эффективности в этом случае является сокращение удельного расхода энергии по счетчикам тяговых подстанций за счет применения рекуперации (удельная величина и процент от расхода на тягу).

Таким образом, и оценка эффективности рекуперации на произвольном участке железной дороги должна выполняться по двум основным направлениям:

1. Оценка эффективности фактического применения рекуперативного торможения, которая должна выполняться с учетом основных факторов и фактически сложившихся на участке условий для применения рекуперативного торможения.

60 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(25) ОП4 С

■ I = 2U10