CC BY
23
УДК 621.311.4: 621.331
А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
МЕТОДИКА ДИСТАНЦИОННОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПОДВЕСНЫХ ФАРФОРОВЫХ ИЗОЛЯТОРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Аннотация. Предложена методика дистанционного диагностирования подвесных фарфоровых изоляторов на основе импульсного метода. Определена форма испытательных импульсов для диагностирования изоляторов на участке контактной сети постоянного тока. Приведены и рассчитаны основные диагностические параметры подаваемых и регистрируемых импульсов. Выявлена возможность определения расстояния до неисправной гирлянды в зависимости от амплитудного значения диагностического импульса. Рассмотрено изменение пикового значения спада импульса в зависимости от сопротивления гирлянды изоляторов. Предложенная методика позволяет локализовать положение неисправной гирлянды изоляторов на участке электроснабжения постоянного тока и в последующем достоверно определять неисправный изолятор в гирлянде.
Ключевые слова: контактная сеть, методика дистанционного диагностирования, фарфоровый изолятор, диагностический импульс.
Andrey A. Kuznetsov, Anton Yu. Kuzmenko
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
METHOD OF REMOTE DIAGNOSTICS SUSPENDED PORCELAIN INSULATOR DC CATENARY
Abstract. A method for remote diagnosis of suspended porcelain insulators based on the pulse method is proposed. The form of test pulses for diagnosing isolators in the area of the DC contact network is determined. The main diagnostic parameters of the supplied and recorded pulses are given and calculated. The possibility of determining the distance to the faulty garland depending on the amplitude value of the diagnostic pulse has been revealed. The change of the peak value of the pulse decay depending on the resistance of the insulator string is considered. The proposed method allows localizing the position of a faulty insulator string at the DC power supply section, and subsequently reliably determining the faulty insulator in the festoon.
Keywords: contact network, remote diagnostics technique, porcelain insulator, diagnostic pulse.
Надежность системы электроснабжения железнодорожного транспорта во многом зависит от безотказной работы контактной сети, одними из критических элементов которой являются подвесные изоляторы.
При достаточной диэлектрической составляющей выход из строя одного из изоляторов в гирлянде может не привести к нарушению нормальной работы участка контактной сети (RC), но накопление со временем дефектных изоляторов ведет к пробоям и повышению вероятности возникновения аварийных ситуаций [1]. Поэтому применение электрических методов диагностирования является актуальной задачей.
Среди методов диагностирования состояния изоляторов преобладают электрические, оптические и ультразвуковые [2]. Использование данных методов является наиболее эффективным для участков КС переменного тока, так как наличие дефектов определяется, например, на основе регистрации частичных разрядов или выявления повышенной температуры изолирующих элементов [3, 4]. На участках КС постоянного тока дефекты изоляции являются скрытыми и плохо выявляются указанными методами.
Снижение изолирующих свойств гирлянд связано с уменьшением номинального сопротивления изоляторов вследствие их внутреннего пробоя. На начальном этапе с достаточной степенью точности можно выявить гирлянды с пониженными изолирующими свойствами, что составляет цель исследования данной статьи. Далее возможно определение неисправного
изолятора в самой гирлянде, например, методом регистрации параметров электрического поля вокруг гирлянды [5, 6].
В настоящей статье особое внимание уделяется диагностированию подвесных фарфоровых изоляторов, остающихся в эксплуатации в большом количестве на полигоне систем электроснабжения постоянного тока. Применение данной методики на участках железных дорог переменного тока возможно, но с учетом увеличения мощности силовой части измерительного комплекса [7].
Основными факторами, влияющими на диэлектрические свойства изоляторов, являются быстрое старение в условиях длительной эксплуатации (особенно при отрицательной температуре), выходы из строя фиксирующих узлов, недостаточная механическая прочность при динамических нагрузках и нарушение норм эксплуатации.
В моменты прохождения подвижного состава под фиксаторами контактной подвески возникают вертикальные динамические нагрузки, со временем приводящие к разрушению изоляторов [8]. В таких случаях в теле изолятора образуются скрытые трещины, которые со временем наполняются влагой, пылью и другими инородными веществами. Таким образом, возникает токопроводящий слой, значительно снижающий диэлектрические свойства изолятора, вплоть до их полной потери. Имеют место и скрытые дефекты изоляторов, которые невозможно обнаружить визуально либо при помощи электрических испытаний. Такие дефекты представляют наибольшую опасность.
Фарфоровые тарельчатые изоляторы на участках постоянного тока диагностируют при помощи измерительной штанги типа ШИ-10 с изолирующей рабочей площадкой съемной вышки или автомотрисы [3]. Перед измерением необходимо проверить исправность измерительной штанги, для чего нужно щупами штанги коснуться одновременно токоведущих и заземленных частей. У исправной измерительной штанги стрелка прибора должна перейти за предельную красную отметку и одновременно загорится неоновая лампочка-индикатор. 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 лампочка-индикатор.
Данный метод диагностирования подразумевает проверку каждой гирлянды в отдельности и является весьма трудозатратным.
При дистанционном определении местоположения неисправной гирлянды высокочастотный сигнал с большим амплитудным значением можно заменить последовательностью импульсов прямоугольной формы меньшей частоты, что снизит затраты на реализацию аппаратной части испытательного комплекса [7].
На рисунке 1 представлена схема проведения экспериментальных исследований на участке контактной сети учебного полигона ОмГУПСа. Неисправный изолятор (НИ) соединялся с контактной сетью и рельсовым заземлением в положениях 1, 2, 3, как показано на рисунке 1. Подключение прибора контроля изоляции (ПКИ) к контактной сети осуществлялось при помощи измерительной штанги (ИШ) Для эксперимента были выбраны подвесные фарфоровые изоляторы тарельчатого типа ПФ-70.
Так как изолятор представляет собой комплексное сопротивление, каждая из гармонических составляющих входного сигнала влияет на форму диагностического импульса по-разному. На рисунке 2 приведена последовательность диагностических импульсов рабочего участка, когда неисправная гирлянда изоляторов в линии отсутствует.
На рисунке 3 приведены совмещенные последовательности диагностирующих сигналов при нахождении поврежденной гирлянды в различных положениях на протяжении всего участка
контактной сети. По спаду заднего фронта диагностического импульса видно, что на участке, содержащем неисправную гирлянду, происходит разряд емкостной составляющей изоляторов на входные цепи измерительного комплекса.
_
- . ! — ^ т trtu с-
I 1 4s lilt V мщ Q |[к"Л О р—I У 2" > | 1 | 1
- -!-
■I
Рисунок 1 - Схема измерения для участка КС
ДО U
-ч J ----- J
J V
Рисунок 2 - Последовательность диагностических импульсов исправного участка
Для определения диагностических параметров данные каждой последовательности были обработаны в программном комплексе MathCad [9].
Для обработки было выбрано по одному характерному импульсу с каждого графика. Результаты построения импульсных зависимостей в программном комплексе MathCad представлены на рисунке 4.
Для проведения сравнительного анализа количественных составляющих полученных импульсов рассчитывались следующие параметры: амплитудное значение
Um = max|u(t )|, (1)
tG(tx,t2)
где u (t) - мгновенное значение напряжения;
среднеквадратическое (действующее) значение
и =
1 Г 'г и2 и ук;
г — г А
2 11 1
(2)
Рисунок 3 - Последовательности диагностических импульсов в различных режимах работы 1
кВ
0.6 и 0,4 0,2 0
0 0.5 1 1,5 2 2.5 3 с 4
г-►
Рисунок 4 - Диагностические импульсы в различных режимах работы: 0 - импульс на участке КС с исправными гирляндами; 1, 2, 3 - поврежденная гирлянда находится в различных положениях
на протяжении участка КС
постоянная составляющая
1 гН
и0 =-1 и(гН (3)
0 г - г
2 11 1
где г2 - моменты времени интегрирования мгновенных значений напряжения;
а также интегральные коэффициенты формы, амплитуды и усреднения:
и
К = ^; (4)
и 0
К = и; (5)
К = Цт. (6)
и 0
Было определено, что при испытаниях на участке с неисправной гирляндой переходные процессы имеют различные временные параметры. Диагностический импульс при нахождении поврежденной гирлянды в конце участка представлен на рисунке 5. Моменты времени г1, г2, г3, г4 характеризуют заряд и разряд напряжения диагностического импульса на поперечные и продольные составляющие линии.
г -►
Рисунок 5 - Диагностический импульс при нахождении неисправной гирлянды в конце участка
На промежутке (г1, г2) напряжение возрастает от минимального значения до максимального. Параметры А и В характеризуют апериодический переходный процесс нарастания импульса и представляют собой постоянную составляющую и амплитуду исследуемого импульса. Параметр §1 характеризует степень нарастания:
у(г) = А - Бе*. (7)
На промежутке (г3, г4) амплитуда импульса уменьшается от максимального до минимального значения. При многократных испытаниях диагностический импульс (см. рисунок 5) повторяется с периодом (^ 14). Параметры С и Б характеризуют апериодический переходный процесс спада импульса и представляют собой постоянную составляющую и амплитуду исследуемого сигнала. Параметр §2 характеризует степень спада:
у(0 = С + Бе "2. (8)
Результаты обработки всех перечисленных параметров для четырех режимов работы приведены в таблице. Наиболее значимыми при определении диагностических признаков являются постоянные времени нарастания и спада импульсов §1 и 52, а также постоянная составляющая и0.
Результаты обработки диагностических импульсов
Параметр Зависимости
0 1 2 3
ит, кВ 0,92 0,92 0,92 0,92
и, кВ 0,87 0,81 0,77 0,73
и0, кВ 0,875 0,809 0,755 0,71
ка 1,05 1,13 1,2 1,24
кф 0,99 1,01 1,02 1,04
ку 0,442 0,426 0,396 0,41
51, с-1 -1,53 -4,28 -8,64 -12,1
52, с-1 -0,11 -0,17 -0,21 -0,28
С использованием математической модели, результатов программного моделирования [10, 11] и натурных экспериментов [7] были определены изменения пикового значения (ирр = итах - Цшт) спада импульса в зависимости от сопротивления гирлянды изоляторов при различных расстояниях до неисправной гирлянды Ьх (рисунок 6).
Рисунок 6 - График изменения пикового значения спада импульса в зависимости от сопротивления гирлянды при различных расстояниях до неисправной гирлянды
Выявлена также возможность определения расстояния до поврежденной гирлянды в зависимости от амплитуды диагностического импульса (рисунок 7). Расхождение результатов экспериментальных и теоретических исследований:
5 = ишт - иш-э = 8,1 %. (9)
0 и
тЭ
В статье рассмотрено экспериментальное исследование выявления гирлянд с неисправными изоляторами на участке КС постоянного тока. С помощью математического анализа определены численные значения параметров диагностических импульсов для исправных и неисправных гирлянд фарфоровых изоляторов. Приведены зависимости, связывающие полу-
ченные численные значения диагностирующих импульсов в зависимости от местоположения гирлянды с неисправным изолятором на участке контактной сети.
0.7 *В А 0,5 0,4 0.3
ит
0,2 0,1 о
О 50 ¡00 ¡50 200 250 Ш 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 ЙЮ м 10»
и ->
Рисунок 7 - График зависимость амплитудного значения напряжения от расстояния до поврежденной гирлянды
Предложенная методика позволяет сократить время на локализацию и замену поврежденной изоляции участка контактной сети постоянного тока и снизить экономические и трудовые затраты, связанные с процессом диагностирования.
Для достоверного определения неисправности изоляторов на участке КС рекомендуется накопление данных диагностических сигналов и последующее сравнение их с образцовыми.
Список литературы
1. Железнов, Д. Ф. Контактные сети и линии электропередач: Учебное пособие [Текст] / Д. Ф. Железнов, Д. В. Смирнов / МИИТ. - М., 2010. - Ч. 1. - 114 с.
2. Арбузов, Р. С. Современные методы диагностики воздушных линий электропередачи [Текст] / Р. С. Арбузов, А. Г. Овсянников. - Новосибирск: Наука, 2009. - 136 с.
3. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ЦЭ-868). [Текст] - М.: Трансиздат, 2002. - 184 с.
4. Баркан, Я. Д. Эксплуатация электрических систем: Учебное пособие [Текст] / Я. Д. Баркан. - М.: Высшая школа 1990. - 304 с.
5. Евдокимов, Ф. Е. Теоретические основы электротехники. Учебник [Текст] / Ф. Е. Евдокимов. - М.: Высшая школа, 1981. - 488 с.
6. Исследование электростатического поля на гирляндах изоляторов контактной сети [Текст] / А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко и др. // Известия Транссиба / Омский гос. ун -т путей сообщения. - Омск. - 2015. - № 1 (21). - С. 54 - 59.
7. Разработка технических средств и методики контроля состояния изоляторов контактной сети постоянного тока [Текст] / А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко и др. // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 4 (12). - С. 110 - 116.
8. Антонов, Ю. А. Модель взаимодействия токоприемника с контактным проводом [Текст] / Ю. А. Антонов, К. К. Ким // Наука и техника транспорта / Российская открытая академия транспорта российского университета транспорта. - М. - 2008. - № 4. - С. 9 - 12.
{■■'геп N
—
< вв
9. Любимов, Э. В. MathCAD. Теория и практика проведения электротехнических расчетов в среде MathCAD и Multisim [Текст] / Э. В. Любимов. - СПб: Наука и техника, 2012. - 400 с.
10. Марченко, А. Л. Основы электроники. Учебное пособие для вузов [Текст] / А. Л. Марченко. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 296 с.
11. Кузьменко, А. Ю. Моделирование процесса дистанционного диагностирования изоляторов контактной сети [Текст] / А. Ю. Кузьменко, А. А. Кузнецов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2014. - № 4 (20). - С. 92 - 97.
References
1. Zheleznov D. F., Smirnov D. V. Kontaktnye seti i linii elektroperedach. Ch.1: Uchebnoe posobie dlia studentov spetsial'nosti «Elektrosnabzhenie zheleznykh dorog' (Contact networks and power lines. Part 1: A manual for students of the specialty «Power supply of railways»). Moscow: Moscow State University of Railway Engieering, 2010, 114 p.
2. Arbuzov R. S., Ovsiannikov A. G. Sovremennye metody diagnostiki vozdushnykh linii el-ektroperedachi (Modern methods of diagnostics of overhead power lines). Novosibirsk: Nauka, 2009, 136 p.
3. Pravila ustroistva i tekhnicheskoi ekspluatatsii kontaktnoi seti elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog (TsE-868). Departament elektrifikatsii i elektrosnabzheniia Ministerstva putei soobshcheniia Rossiiskoi Federatsii (Rules of the device and technical operation of the contact network of electrified railways. Department of Electrification and Electricity of the Ministry of Railways of the Russian Federation). Moscow: «TRANSIZDAT», 2002, 184 p.
4. Barkan Ia. D. Ekspluatatsiia elektricheskikh sistem: uchebnoe posobie dlia elektroenerget-icheskikh spetsial'nykh vuzov (Operation of electrical systems: a textbook for special energy universities). Moscow: Vysshaia shkola, 1990, 304 p.
5. Evdokimov F. E. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Uchebnik dlia tekhnikumov. 5-e izd., pererabotannoe i dopolnennoe (Theoretical foundations of electrical engineering. Textbook for technical schools). Moscow: Vysshaia shkola, 1981, 488 p.
6. Kuz'menko A. Iu., Kuznetsоv A. A., K^nte E. A. Investigate of еlеctrоstаtic field оп the insuktor strings cаtenаry [Issledоvаniе еlеktrоstаticheskоgо pоliа ш girliandаkh izоliаtоrоv kоntaktnоi sеti]. Izvestiia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2015, no. 1 (21), pp. 54 - 59.
7. Kuznetsоv A. A., Kuz'mеnkо A. Iu., Ко^п^ E. A. Dеvelоpmеnt of technical mеаns and methods for monitoring the stаtus of DC ш^ай; isolators [Rаzrаbоtka tekhnicheskikh sredstv i metodiki kontrolia sostoianiia izoliatorov kontаktnoi seti postoiannogo toka]. Izvestiia Transsiba -Journal of Transsib Railway Studies, 2012, no. 4 (12), pp. 110 - 116.
8. Antonov Iu. A. Model of interaction of the current collector with the contact wire [Model' vzaimodeistviia tokopriemnika s kontaktnym provodom]. Nauka i tekhnika transporta, 2008, no 4, рр. 9 - 12.
9. Liubimov E. V. MathCAD. Teoriia i praktikaprovedeniia elektrotekhnicheskikh raschetov v srede MathCAD i Multisim (MathCAD. Theory and practice of electrical calculations in the environment of MathCAD and Multisim) St. Petersburg: Nauka i Tekhnika, 2012, 400 p.
10. Marchenko A. L. Osnovy elektroniki. Uchebnoe posobie dlia vuzov (Basics of electronics. Textbook for universities). Moscow: DMK Press, 2008, 296 p.
11. Kuz'menko A. Iu., Kuz^tsov A. A. Simulation of the procеss of remote diagnosis of contact network isolators [Modеlirovaniе protsеssa distantsionnogo diagnostirovaniiа izoliаtorov kontaktnoi sеti]. Izvestiia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2014, no. 4 (20), pp. 92 - 97.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Кузнецов Андрей Альбертович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7(3812) 31-06-88.
E-mail: kuznetsovaa@omgups.ru
Кузьменко Антон Юрьевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-06-88.
E-mail: KuzmenkoAU@omgups.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Кузнецов, А. А. Методика дистанционного диагностирования подвесных фарфоровых изоляторов контактной сети постоянного тока [Текст] / А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск. - 2019. -№ 1 (37). - С. 64 - 72.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Kuznetsov Andrey Albertovich
Omsk State Transport University (OSTU) 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation. Doktor of Technical Science, Professor, head of the department «Theoretical Electrical Engineering» OSTU. Phone: +7(3812) 31-06-88. E-mail: kuznetsovaa@omgups.ru
Kuzmenko Anton Yurievich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation. Ph.D. in Technical Sciences, Senior lecturer of the department «Theoretical Electric Engineering», OSTU. Phone: (3812) 31-06-88. E-mail: KuzmenkoAU@omgups.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Kuznetsov A. A., Kuz'menko A. Iu. Method of remote diagnostics suspended porcelain insulator dc catenary. Izvestiia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2019, no. 1 (37), pp. 64 - 72.
УДК 662.7
Ю. Г. Малиновский
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЖИДКИХ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ ВАГОНОРЕМОНТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Аннотация: Изучена проблема утилизации отработанных моющих растворов в вагоноремонтных депо Российской Федерации. Отмечается важность совместного решения экологических и энергетических задач для железнодорожной отрасли и низкий уровень развития и применения соответствующих технологий в депо в настоящее время. Анализируются экономические, юридические и технологические аспекты рассматриваемой проблемы. Показано, что в существующих условиях целесообразно и экономически выгодно проводить очистку моющих растворов в рамках замкнутого цикла оборота воды на предприятии с одновременным концентрированием отходов безреагентными способами и их дальнейшим использованием. Отмечается, что выделенные из отработанных растворов загрязнения содержат преимущественно горючие нефтепродукты. Предлагается сжигать концентрат загрязнений с получением тепловой энергии. Выполнен обзор методов безреагентного концентрирования и сжигания концентрата. Отмечена возможность повышения энергетической эффективности процесса деповского ремонта вагонов за счет использования выделившейся тепловой энергии. Приведены теоретические обоснования выбранных подходов и результаты проверочных экспериментов, а также оценки экономического эффекта от внедрения предложенной технологии утилизации. Показана ее реализуемость и практическая значимость. Даны рекомендации по конструктивному исполнению деповского моечного оборудования и очистных сооружений. Отмечена необходимость и показаны пути дальнейших исследований.
