CC BY
41
7. Kvakernaak Kh., Sivan R. Lineinye optimal'nye sistemy upravleniia (Linear optimal control systems). Moscow: Mir, 1977, 650 p.
8. Derusso P., Roj R., Klouz Ch. Prostranstvo sostoianii v teorii upravleniia (dlia inzhenerov) (The state space in control theory (for engineers)). Moscow: Nauka, 1970, 620 p.
9. Krutov V. I. Avtomaticheskoe regulirovanie dvigatelei vnutrennego sgoraniia (Automatic control of internal combustion engines). Moscow: Mashinostroenie, 1968, 535 p.
УДК 621.336.2
М. Н. Емельянова
ОБОСНОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ПРОВОДА КОНТАКТНОЙ СЕТИ
Рассмотрены условия работы проводов контактной сети в части термомеханических нагрузок. Проанализированы результаты испытаний проводов контактной сети с целью определения относительной скорости удлинения провода.
Представлены результаты испытаний контактных проводов и несущих тросов по определению разрывного усилия при различной температуре. Предложены допустимые значения температуры нагрева для медных и бронзовых проводов в условиях эксплуатации и коэффициенты запаса прочности для них.
Провода контактной сети для подвесок различного типа могут нагреваться током до 100 -120 °С, при этом механическая нагрузка составляет от 10 до 21 кН. По существующим нормативам допустимая температура нагрева проводов контактной сети в течение 1 мин должна быть не более 140 °С [1]. Кратковременный или длительный нагрев вызывает также снижение прочности проводов, что приводит к значительному уменьшению коэффициента запаса прочности. В связи с повышением натяжения и увеличением нагрузок на провода контактной сети возникает необходимость исследовать величину усилия, при котором разрушаются провода контактной сети - контактный провод и несущий трос. Несмотря на существенную роль несущего троса в контактной подвеске было проведено очень мало исследований по обоснованию выбора для этого троса термомеханических нагрузок. В труде специалистов компании Siemens [2] термин «несущий трос» упоминается только четыре раза.
В соответствии с требованиями документа [1] коэффициенты запаса прочности проводов контактной сети должны быть не менее: для стальных тросов компенсаторов - 4; для продольных и фиксирующих тросов - 3; для контактных проводов - 2,5; для несущих тросов - 2. Провода и тросы, которые испытывают в процессе эксплуатации только механическую нагрузку, имеют коэффициент запаса 4 или 3, а провода, по которым протекает электрический ток и вызывает их нагрев, имеют коэффициент запаса 2. Контактный провод, который подвергается механической и термической нагрузке и изнашивается в процессе токосъема, имеет коэффициент запаса 2,5. В результате анализа условий работы проводов контактной сети было установлено, что больше всего нагрузок (от подвешенных к тросу проводов контактной сети, от ветра и гололеда) приходится на несущий трос. При тепловых расчетах несущий трос первым достигает предельной температуры и является лимитирующим по токовой нагрузке. В эксплуатации несущий трос подвержен значительным термомеханическим нагрузкам. Количество повреждений несущего троса не снижается и является одной из частых причин нарушения нормальной работы устройств контактной сети.
Были проведены исследования зависимости прочности контактных проводов от нагрузки [3]. Для исследования на полигоне контактной сети ОАО «ВНИИЖТ» был создан стенд по определению низкотемпературной ползучести проводов. При сочетании механической и термической нагрузок в медных и бронзовых проводах определяли значения установившейся скорости их удлинения.
Результаты относительной скорости удлинения контактных проводов были сопоставлены с предварительно проведенными расчетами по допустимой скорости их удлинения [4]. Значения скорости удлинения по этим расчетам не должны были превышать: медных и низколегированных - не более 15-10-9 %/ч, бронзовых - не более 12-10-9.
Полученные значения относительной скорости удлинения для разных типов контактных проводов приведены на рисунке 1 .
Рисунок 1 - Относительная скорость удлинения контактных проводов
Испытания проводились на стенде по методике, разработанной ранее [3]. Усилие натяжения подбиралось таким образом, чтобы обеспечить напряжение растяжения 210 Н/мм2 для
2 ц бронзовых проводов, 180 Н/мм для медных и низколегированных. При сочетаниях заданной
температуры провода (150 °С для бронзовых и 90 °С для низколегированных и медных) и напряжений в проводе определялось его удлинение в течение 720 ч. Реальные значения относительной скорости удлинения контактных проводов оказались не хуже нормативных значений. В то же время удлинение бронзовых проводов происходит быстрее, чем медных, что можно объяснить отличными условиями испытаний.
Для дальнейшего анализа условий работы проводов контактной сети были выполнены испытания с целью определения изменения разрывного усилия контактных проводов и несущих тросов при различной температуре. При этом необходимо отметить, что нагревание проводов до заданной температуры кратковременное. По достижении заданной температуры к проводу прикладывалась нагрузка, приводящая к разрушению, так, что провод находился в нагретом состоянии не более 10 - 15 с. После охлаждения свойства провода восстанавливались.
Были проведены испытания контактных проводов для определения разрывного усилия при различной температуре. Испытания заключались в определении разрывного усилия контактных проводов при нагреве от 20 до 150 °С. Определялась мгновенная потеря прочности при нагреве до заданной температуры. Схема стенда для испытаний по определению разрывного усилия проводов контактной сети приведена на рисунке 2. Объектом испытаний были контактные провода, изготовленные из меди и сплавов на ее основе марки МФ-100, Бр1Ф -100 (0,15 %Бп), МФ-120, Бр1Ф -120 (0,15 %8п).
На разрывную машину 1 между двумя изоляторами 3 был смонтирован испытуемый образец провода 6. Верхний и нижний концы провода для нагрева были присоединены к источнику питания 7 через питающие зажимы 4. На участке провода 5 были подключены термопары для контроля температуры нагрева провода. Участок провода нагревался постоянным током от источника питания. Величина тока подбиралась такой, чтобы достигнуть заданной по условиям испытаний температуры. При достижении необходимой температуры оператор запускал разрывную машину с подачей постепенной нагрузки на образец провода до его разрыва. Значение разрывного усилия определялось с помощью установленного динамометра 2. При достижении заданной температуры оператор с помощью термовизора снимал термограмму нагрева образца контактного провода в момент разрыва. На рисунке 3 приведена термограмма нагрева при разрыве контактного провода марки Бр1Ф-100 (0,15 %Бп). Заданная температура провода - 90 °С.
Рисунок 2 - Схема стенда для испытаний по определению разрывного усилия проводов контактной сети при нагреве
Рисунок 3 - Термограмма нагрева при разрыве контактного провода марки Бр1Ф -100 (0,15 %8п)
при температуре 90 °С (в момент разрыва)
На рисунке 4 показаны полученные удельные разрывные усилия для медных и бронзовых проводов при заданной температуре. Получено, что при повышении температуры контактных проводов до 150 °С удельное разрывное усилие медных и бронзовых проводов снижается на 9 %.
10 5
0 Н-1-1-1-1-1-1-1-1
0 20 40 60 80 100 120 °С 160
- -
Температура
Рисунок 4 - Разрывное усилие бронзовых (1) и медных (2) контактных проводов
Проведены испытания несущих тросов по определению разрывного усилия при различной температуре и по определению разрушающей нагрузки несущих тросов, изготовленных из проволоки меди М-120 и сплава меди с 0,2 % олова Бр1-120 по той же методике, что и для контактных проводов. Значения температуры составляли, °С: 20; 90; 120 и 150. В каждом режиме испытывали по два образца каждого типа провода. На рисунке 5 приведена термограмма при разрыве несущего троса марки М-120 при температуре 150 °С.
Рисунок 5 - Термограмма при разрыве несущего троса марки М-120 при температуре 150 °С (в момент разрыва)
Полученные разрывные усилия для медных и бронзовых несущих тросов при заданной температуре показаны на рисунке 6.
Рисунок 6 - Разрывное усилие бронзового Бр1-120 (1) и медного М-120 (2) несущих тросов
Установлено, что при повышении температуры несущих тросов до 150 °С разрывное усилие медных несущих тросов снижается на 11 %, а бронзовых - на 4.
Проведенные исследования показали, что нагрев медных проводов до температуры выше 90 °С и бронзовых проводов до температуры выше 120 °С приводит к значительному мгновенному снижению прочности проводов. Длительный нагрев проводов при механической нагрузке может вызывать разупрочнение проводов вследствие их ползучести. Причем указанные нагрузки являются допустимыми по существующим нормативам. Учитывая, что в таблице 2.3.1 работы [1] указаны более высокие значения допустимой температуры нагрева при длительности протекания тока в одну минуту, можно предположить, что условия работы проводов близки к критическим и существующего коэффициента запаса прочности недостаточно для их надежной работы с учетом возможных рисков. Предлагается изменить нормативные требования для контактных проводов и несущих тросов по допустимому нагреву и убрать разделение на кратковременный и длительный нагрев, а оставить только допустимый нагрев.
Список литературы
1. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ЦЭ-868) [Текст]. - М.: Трансиздат, 2002. - 184 с.
2. Contact Lines for Electrical Railways: Planning, Design, Implementation, Maintenance, 2nd Edition / F. Kiessling, R.Puschmann and others. - Wiley Publishers, 2012. - 994 p.
3. Миронос, Н. В. К вопросу о допустимой термомеханической нагрузке на контактный провод [Текст] / Н. В. Миронос, П. Г. Тюрнин, И. С. Гершман // Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе: Сб. науч. тр. - М.: Ин-текст, 2010. - С. 164 - 172.
4. НБ ЖТ ТМ 03-98 Провода контактные из меди и ее сплавов. Нормы безопасности [Текст] / МПС России. - М., 1998. - 24 с.
References
1. Pravila ustroistva i tekhnicheskoi ekspluatatsii kontaktnoi seti elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog (TsE-868) (The rules of construction and technical exploitation of the contact system of electrified Railways (TsE -868)). Moscow: Transizdat, 2002, 184 p.
2. Kiessling F., Puschmann R., Schmieder A., Schneider E. Contact Lines for Electrical Railways: Planning, Design, Implementation, Maintenance, 2nd Edition. 2009, 994 p.
3. Mironos N. V., Tiurnin P. G., Gershman I. S. To the question of valid thermo-mechanical load on the contact wire [K voprosu o dopustimoi termomekhanicheskoi nagruzke na kontaktnyi provod]. Sbornik nauchnykh trudov OAO «VNIIZhT» «Tokos"em i tiagovoe elektro-snabzhenie pri vysokoskorostnom dvizhenii na postoiannom toke» (Proc. of JSC «All-Russian research Institute of railway transport» «Power collection and traction electricity at high-speed movement on DC). Moscow: Intekst, 2010, pp. 164 - 172.
4. NB ZhT TM 03-98 Provoda kontaktnye iz medi i ee splavov. Normy bezopasnosti (NB ZhT TM 03-98 The contact wire of copper and its alloys. Safety standards). Moscow, 1998.
УДК 621.316.97
В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, Н. К. Слептерева
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НАД КАБЕЛЕМ С ПОВРЕЖДЕНИЕМ
В статье приведен расчет напряженности магнитного поля над кабелем с повреждением. Представлена схема замещения цепи «жила - оболочка» с повреждением. Жила и оболочка при этом рассматриваются как две однопроводные линии, нагруженные на волновые сопротивления для исключения отражений. Для данной схемы замещения определено изменение синусоидального сигнала по жиле и оболочке кабеля. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в месте повреждения ток в жиле кабеля значительно изменяется, а на оболочке достигает максимального значения. Рассчитаны значения коэффициента экранирования на разных частотах для алюминиевого сплошного трубчатого и стального спирального проводников, представляющие собой оболочку и броню кабеля. Определена напряженность магнитного поля на поверхности земли над кабелем с металлической оболочкой, имеющим повреждение типа «жила - оболочка», с учетом коэффициента экранирования оболочки. Результаты показывают, что в месте повреждения изоляции между токоведу-щей жилой и оболочкой модуль напряженности магнитного поля и его фаза получают приращение, которое может быть зафиксировано на поверхности земли. Результаты расчета позволят усовершенствовать методы и аппаратные средства поиска мест повреждения изоляции кабелей.
Преимуществами использования кабелей в полимерном изолирующем покрове является высокое переходное сопротивление металлических элементов кабеля относительно земли, обеспечивающее надежную защиту от всех видов коррозии. При этом полимерный изолирующий покров в процессе транспортировки, укладки и эксплуатации кабеля может быть поврежден. При поиске мест повреждения кабелей приемная часть аппаратуры позволяет определить местоположение повреждения путем обработки информативных относительно повреждения параметров сигнала. При использовании индуктивного метода поиска информативным сигналом является напряженность магнитного поля. Если кабель имеет металлические защитные покровы, для определения напряженности магнитного поля от кабеля на поверхности земли следует учесть коэффициент экранирования. В этом случае необходимо рассмотреть поток энергии от источника возмущения, распространяющегося в радиальном направлении, к трубчатому экрану, представляющему собой металлическую оболочку, далее - через экран в экранированное пространство. Наибольшую значимость имеют затухания в толще экрана и за счет отражения на границах «диэлектрик - оболочка - диэлектрик» [1].
