CC BY
32
ПРОБЛЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 621.331:621.311.4:621.316.925
Определение числа временных перегревов контактных проводов, приводящих к понижению прочности до минимально допустимого значения
В. М. Варенцов, А. И. Бурьяноватый, М. В. Чернявская
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Варенцов В. М., Бурьяноватый А. И., Чернявская М. В. Определение числа временных перегревов контактных проводов, приводящих к понижению прочности до минимально допустимого значения // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. -Вып. 3. - С. 5-15. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-3-5-15
Аннотация
Цель: Разработка методики оценки теплового износа контактного провода при перегревах выше длительно допустимой температуры и определение длительности эксплуатации по условию прочности в условиях повышенного теплового износа. Методы: Использованы значения кратковременных перегревов контактных проводов при пропуске поездов с повышенной массой. Результаты: Выявлена связь графика движения поездов и профиля пути с местами повышенного теплового износа контактного провода. Введены следующие понятия: расчетная температура перегрева, интервал удержания температуры и число циклов перегревов. Предложен способ оценки перегрева проводов выше длительно допустимой температуры по расчетной температуре и интервалу удержания температуры выше расчетной. Установлено, что тепловой износ контактных проводов зависит от характера движения поездов относительно подстанции. При приближении к ней поездов он выше, чем в случае удаления от нее. Изложена методика определения срока службы контактных проводов по условию разупрочнения, связанного с превышением нормируемых значений температуры. Приведен результат расчета числа допустимых циклов перегревов для участков контактной сети, примыкающих к тяговым подстанциям. Практическая значимость: Предложенная методика позволяет оценить допустимую длительность эксплуатации контактных проводов по условию прочности при возникновении систематических перегревов выше длительно допустимой температуры. Ее использование дает возможность выполнять обоснованные технические мероприятия по изменениям графика движения поездов, количества усиливающих проводов и их протяженности, частоте установки поперечных соединителей.
Ключевые слова: Перегрев контактного провода, контактный провод, разупрочнение проводов, температура контактного провода, время удержания температуры, число циклов перегрева, тепловой износ.
Температура нагрева контактных проводов зависит от величины и длительности тяговых токов, температуры окружающего воздуха, а также от скорости воздушного потока, который обдувает провода. Тяговые токи контактной сети, стекающие в контактные провода к токоприемнику, могут превышать номинально допустимые значения с длительностью до десятка и более минут. При этом могут происходить временные перегревы проводов контактной сети. На практике это можно заметить по опусканию грузов контактной подвески.
Перегревы контактных проводов происходят не равномерно по всей длине контактного провода на межподстанционной зоне, а на тех участках, которые находятся вблизи тяговых подстанций и постов секционирования на затяжных подъемах, особенно, когда тяжеловесные поезда приближаются к тяговым подстанциям.
Температура нагрева контактных проводов при одних и тех же значениях токов электровозов и в проводах будет повышаться при увеличении температуры окружающего воздуха, солнечной радиации и минимальной скорости ветра 1 м/с. Допустимые температуры нагревов медных, низколегированных и бронзовых контактных проводов принимаются равными соответственно 95, 110 и 120 °С [1, 2].
В эксплуатации под влиянием нагрева тяговыми токами и растягивающих механических нагрузок происходит разупрочнение проводов (уменьшаются временное сопротивление при растяжении и твердость). Такие ситуации возникают при пропусках тяжеловесных поездов в летнее время, с повышенными температурами воздуха с солнечной радиацией, при пропусках поездов с малыми межпоездными интервалами. Скорость разупрочнения проводов зависит от температуры нагрева и ее длительности, а также от механического растяжения. При нагреве медных контактных проводов до 120 °С у них происходит повышенное их разупрочнение, появляется ползучесть (неупругое растяжение). Границей максимального нагрева проводов может служить температура, при которой начинает проявляться ползучесть [3, 4].
Во ВНИИЖТе [5] были произведены исследования прочности контактных проводов при длительных нагревах, 250-500 ч, и постоянном натяжении 11 кН. При этом определялись рекристаллизация и понижение прочности контактных проводов, медных и с легирующими добавками. Например, снижение прочности до минимально допустимой при 180 °С происходит за 2 ч.
Экспериментальные исследования прочности контактных проводов, выполненные в ПГУПС [6], показали, если нагрев производить поинтер-вально, т. е. нагревать контактный провод до 180 °С, выдерживать 8 мин и затем остужать, то через 12 циклов, т. е. за 2 ч, прочность провода уменьшится до минимально допустимого значения (снижение на 30 %). Это говорит о том, что понижение прочности накапливается от цикла к циклу. Оценка допустимой нагрузки на провода в переходных режимах является актуальной проблемой [7, 8]. При этом к существенным относится локализация наиболее тяжелых условий работы подвески.
Наибольшие перегревы наблюдаются вблизи подстанций и у постов секционирования, где большая доля тока протекает по контактным проводам и поперечным соединителям, соединяющим контактные провода с несущим тросом и усиливающими проводами.
Для реальных условий расчеты температур контактных проводов следует производить в следующем порядке:
1) выполнить тяговый расчет и получить зависимость тока от положения поезда максимальной массы на межподстанционной зоне;
2) построить зависимости токов в элементах контактной сети от времени с учетом схемы контактной сети и токопотребления поезда;
3) при заданных тепловых параметрах рассчитать температуры элементов контактной сети при движении поездов с максимальными массами;
4) определить длительности перегревов контактных проводов и число циклов перегрева за сутки и за год;
5) определить понижение прочности контактных проводов за год;
6) установить срок службы контактных проводов, когда прочность их уменьшится до минимально допустимого значения.
Формулы для расчета токов фидеров подстанций для схем двухстороннего /ф.д и узлового /ф.у питания с постом секционирования по середине межподстанционной зоны соответственно можно записать следующим образом:
г = к
г хЛ
г =1
1 ф.д = ^ 1 Пг 1 г , 1 ф.у = ^ 1 Пг
V Ь у
г =к
Г "1 V \
г =1
3 Хг
V 2 Ь у
1 -
где 1П - ток г-го поезда на межподстанционной зоне, А; - расстояние от подстанции до поезда, км; Ь -длина межподстанционной зоны, км; к - число поездов на межподстанционной зоне.
Из этих формул видно, что, если поезда находятся рядом с подстанцией и малы, то ток фидера примерно равен сумме токов поездов. Это существенно влияет на температуру контактных проводов, если движутся поезда с большими массами. В указанных формулах предполагается, что подвески одной межподстанционной зоны одинаковы по четному и нечет-
ному направлениям. Если они не одинаковы, то используются другие формулы или расчеты токов выполняются на моделях.
На постоянном токе контактная подвеска имеет два контактных провода, потому по одному контактному проводу протекает половина суммарного тока контактных проводов. Часть тока фидера протекает по несущему тросу и усиливающим проводам, а затем стекает к электровозу через поперечные соединители.
Если ток двух электровозов, приближающихся к поперечному соединителю у подстанции, достигает 4000 А, то по усиливающим проводам и несущему тросу подвески 2МФ100+М120+2А185 протекает 3/5 полного тока электровозов и ток поперечного соединителя на этом участке примерно равен 2400 А и зависит от расстояния между соединителями (60-500 м). В практике эксплуатации замечено свечение соединителей в темное время суток. Такие токи разогревают соединительные зажимы и перегревают контактные провода, что может привести к их обрыву под воздействием механического натяжения. Расчеты токов в элементах контактной сети удобно выполнять на моделях в пакетах программ EWB или Ма1:ЬаЬ.
Для определения температур контактных проводов т можно использовать известную формулу расчетов изменения температур под воздействием тока в течение заданного интервала времени:
г2 ( АЛ А
т I к т
Т = 12 • Т н
н
1 - е
V
+ (тт0)•е Т + т0--
Т
в которой 1к - ток в контактном проводе, А; 1н - номинальный ток провода, А; тн - допустимое номинальное значение температуры, оС; А? - интервал времени, мин; т' - температура провода в начале текущего шага расчета А?, °С; т0 - температура окружающей среды, °С ; Т - постоянная времени провода, мин.
Температура рассчитывалась для контактного провода рядом с местом присоединения питающего провода от подстанции к контактной подвеске. Дополнительные повышения температур от соединительных зажимов не учитывались.
На рис. 1 показаны зависимости температур контактных проводов от времени при движении поезда, приближающегося к подстанции, при постоянном потреблении электровозом 2000 А и токе контактного провода в нескольких метрах от места подключения питающего провода к подстанции 1000 А. Схема контактной сети принята с двухсторонним питанием. Поезд приближается к подстанции по межподстанционной зоне длиной 20 км со скоростью 60 км/ч. Температура провода т достигает 135 0С, и длительность удержания Ту температуры 135 °С практически равна нулю, а
температура выше 120 °С удерживается в течение 3 мин. Температура выше 100 °С удерживается более 6 мин, средняя температура составляет 118 °С.
А
2000
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
♦ 135
/ 4 V т /
^ч * Л
т у _
—
1к
оР— -Г- -Г- -Г- -с >оооо-
т, °С 140
120 100 80 60 40 20
0
10 15
мин
20
25
Рис. 1. Изменения температуры контактного провода вблизи подстанции для приближающегося поезда с постоянным током 2000 А:
1к - ток одного контактного провода фидера, А; т - температура контактного провода,°С; трасч - расчетная температура контактного провода,°С;
Ту - длительность удержания расчетной температуры
Зависимость температуры контактного провода от времени t при приближении поезда к подстанции получается остроугольной формы, так как токоприемник электровоза переходит с одного фидера на другой. При достижении максимальной температуры ток в рассматриваемом фидере прерывается и происходит остывание проводов. По мере охлаждения ширина основания пика зависимости температуры от времени увеличивается.
Ширина основания, или длительность удержания температуры провода, обусловлена величиной нагревающего тока, скоростью перемещения поезда, длительностью нагрева, скоростью охлаждения проводов и др. В конечном счете от нее зависит понижение прочности провода.
Если температура провода 180 °С удерживалась в течение 3 мин, а потом спадала и если таких нагревов, циклов будет 40 с общим временем
120 мин, или 2 ч, то произойдет уменьшение прочности контактного провода на 30 %.
Если температура медного контактного провода будет удерживаться 100 °С в течение 10 мин, то прочность его снизится с номинальной до минимально допустимой величины за 3000 циклов, за 500 ч [5].
Для одного поезда, удаляющегося от подстанции, ток фидера в первый момент времени будет равен в рассматриваемом случае 2000 А и далее будет понижаться по прямолинейной зависимости до нуля. Зависимость температуры контактного провода от времени будет выпуклой: в начале она повышается, а затем спадает по мере уменьшения тока. Для двух поездов, удаляющихся от подстанции с интервалом попутного следования 10 мин и с токами по 2000 А, температура контактного провода 180 °С будет удерживаться 12 мин, максимальная температура при этом будет 255 °С. После 10 циклов (120 мин) прочность медного контактного провода упадет до минимально допустимой.
На рис. 2 приведены аналогичные зависимости для приближающихся к ближайшей подстанции двух поездов с токами по 1800 А, межпоездным интервалом 10 мин и скоростями 60 км/ч. Максимальная температура -199 °С.
Рис. 2. Изменения температуры контактного провода вблизи подстанции для двух поездов, приближающихся с интервалом 10 мин и токами по 1800 А
На рис. 3 показаны длительности удержания Ту температур грасч контактного провода вблизи подстанции для приближающихся двух поездов.
Рис. 3. Длительности удержания температур контактного провода подвески 2МФ100+М120+2А185 вблизи подстанции при приближении двух поездов с интервалом 10 мин и постоянных токах в контактном проводе
Вероятности появления поездов, включая поезда максимального веса на фидерной зоне, можно определить по графику движения поездов [9, 10].
Величины токов поездов и фидеров, а также температур проводов можно получить расчетом. По зависимости температуры контактных проводов в местах подсоединения к фидерам подстанций от времени находится длительность превышения температуры.
Количество перегревов N устанавливается по графику движения.
Каждой температуре перегрева контактного провода соответствует время, Та, за которое прочность уменьшается на 32 %. Используя время удержания этой температуры Ту, показанное на рис. 3, можно определить число циклов перегревания проводов N при расчетном значении температуры:
N = Та / Ту.
При анализе перегревов следует выбрать из графика движения поездов такие сочетания поездов большого веса, которые могут привести к перегревам элементов контактной сети. Затем выполнить расчет перегревов проводов и определить времена удержания температур выше 100 °С.
Пример. Время, за которое прочность медного контактного провода а при температуре 180 °С уменьшится до минимально допустимого значения 27 кгс/мм2, составляет 2 ч (120 мин), а время удержания температуры
180 °С при токе в контактном проводе при приближающихся двух поездах - 3 мин. Тогда получим, что
N = Та / Ту = 120 / 3 = 40 циклов.
Это означает, что на постоянном токе при токе одного контактного провода 900 А ток электровоза равен 1800 А и при двух поездах, следующих друг за другом, можно допустить всего 40 случаев, после которых прочность проводов будет иметь минимально допустимое значение. Если это происходит летом при высокой температуре воздуха всего 5 раз в год, то прочность снизится до предельной за 8 лет.
В результате проведенного исследования приходим к следующим выводам:
1) применяя график движения поездов, расчеты перегревов проводов и длительности перегревов, можно определить срок службы контактных проводов при повышениях температуры выше длительно допустимой;
2) наиболее тяжелые условия по нагреву возникают вблизи подстанции при приближении поездов к ней;
3) оценкой перегрева провода выше допустимой температуры должна служить расчетная температура, ниже максимальной на 10 %;
4) для определения кратковременного перегрева целесообразно использовать интервал удержания выше расчетной температуры;
5) для уменьшения теплового износа контактных проводов существенное значение имеют наличие исправных поперечных соединителей и уменьшение расстояния между ними.
Библиографический список
1. Технологические карты на работы по содержанию и ремонту устройств контактной сети электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1999. - 415 с.
2. Правила устройства и технологической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог. - М.: Трансиздат, 2002. - 184 с.
3. Шеламов А. Ю. Износ контактного провода. Анализ способов его восстановления / А. Ю. Шеламов // Труды Всерос. науч.-технич. конференции «Студенческая весна 2013: Машиностроительные технологии». - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. -№ гос. регистрации 0321300796. - URL: studvesna.qform3d.ru?go=articles&id=836 (дата обращения: 08.02.2019 г.).
4. Колачев Б. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: учебник для вузов / Б. А. Колачев, В. И. Елагин, В. А. Ливанов. - М.: МИСИС, 1999. - 416 с.
5. Берент В. Я. Совершенствование проводов контактной сети / В. Я. Берент // Вестн. ВНИИЖТ. - 2012. - № 3. - С. 40-45. - URL: https://elibrary.ru/item.asp?id= 17876165 (дата обращения: 08.02.2019 г.).
6. Варенцов В. М. Определение максимальных весов поездов и минимальных межпоездных интервалов при пропуске тяжеловесных поездов / В. М. Варенцов, Ю. М. Порошин, В. С. Варман, Л. Л. Васютинская. - М.: Транспорт, Библиотека МПС. -Вып. Электрификация и энергетическое хозяйство, 1989. - 15 с.
7. Kneschke T. Overhead conductor selection based on transient current and temperature analysis for better traction electrification system economics / Т. Kneschke // Proceedings of the 2003 IEEE/ASME Joint Railroad Conference. 2003. 24-24 April 2003. - Chicago, IL, USA. - 2003, IEEE Catalog N.03CH37424, Library of Congress Catalog N 90-644036. P. 110. - URL: https://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=8566 (дата обращения: 25.03.2019 г.).
8. Yao R. Efficient simulation of temperature evolution of overhead transmission lines based on analytical solution and NWP / R. Yao, K. Sun, F. Liu, S. Mei // IEEE Transactions on Power Delivery. - 2018.- Vol. 33. - N 4. - P. 1576-1588. - DOI: 10.1109/TPWRD.2017. 2751563. - URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8036233& isnumber=8356689 (дата обращения: 25.03.2019 г.).
9. Бурьяноватый А. И. Вероятности появлений максимальных токов фидеров / А. И. Бурьяноватый, В. М. Варенцов // Вестн. ВНИИЖТ. - 2014. - № 1.- С. 30-34. -URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=23234179 (дата обращения: 08.02.2019 г.).
10. Бурьяноватый А. И. Использование вероятностных методов для оценки токовых нагрузок в элементах тяговой сети / А. И. Бурьяноватый, В. М. Варенцов // Бюл. результатов науч. исследований . - 2016. - Вып. 1. - С. 30-36.
Дата поступления: 27.03.2020 Решение о публикации: 26.05.2020
Контактная информация:
ЧЕРНЯВСКАЯ Мария Владимировна - аспирант; mashynay@bk.ru БУРЬЯНОВАТЫЙ Аркадий Иванович - инженер; burjan99@mail.ru ВАРЕНЦОВ Валерий Михайлович - канд. техн. наук, доцент; elsnab@pgups.ru
Determination of the number of contact wire temporary overheating events leading to a decrease in strength to the minimum permissible value
V. M. Varentsov, A. I. Bur'yanovaty, M. V. Chernyavskaya
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Varentsov V. M., Bur'yanovaty A. I., Chernyavskaya M. V. В. Determination of the number of contact wire temporary overheating events leading to a decrease in strength to the minimum permissible value. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 3, pp. 5-15. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-3-5-15
Summary
Objective: Development of a method for assessing the thermal wear of a contact wire in the event of overheating above the permissible continuous heating temperature and determining the duration of
operation based on the strength condition under increased thermal wear. Methods: The values of contact wire short-term overheating with increased weight trains passing have been used. Results: We have revealed the connection between the train schedule and the track profile with the locations of the contact wire increased thermal wear. The following concepts have been introduced: design overheating temperature, temperature holding interval and number of overheating cycles. A method has been proposed for assessing the overheating of wires above the permissible continuous heating temperature based on the design temperature and the temperature holding interval above the design value. It was found that the thermal wear of contact wires depends on the nature of train movement relative to the substation. When trains approach it, the wear is higher than when moving away from it. A method for determining the service life of contact wires based on the softening condition associated with exceeding the standard temperature values has been described. The result of calculating the number of permissible overheating cycles for the contact network sections adjacent to traction substations has been presented. Practical importance: The proposed method makes it possible to estimate the permissible duration of contact wires operation based on the strength condition in the event of regular overheating above the permissible continuous heating temperature. This method allows for adequate technical measures to change the train schedule, the number and length of reinforcing wires, the frequency of cross-cable bonds.
Keywords: Contact wire overheating, contact wire, wire softening, contact wire temperature, temperature holding time, number of overheating cycles, thermal wear.
References
1. Tekhnologicheskiye karty na raboty po soderzhaniyu i remontu ustroystv kontaktnoy seti elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog [Process maps for maintenance and repair of electrified railway contact network devices]. Moscow, Transport Publ., 1999, 415 p. (In Russian)
2. Pravila ustroystva i tekhnologicheskoy ekspluatatsii kontaktnoy seti elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog [Rules for the electrified railway contact network design and process operation]. Moscow, Transizdat Publ., 2002, 184 p. (In Russian)
3. Shelamov A. Yu. Iznos kontaktnogo provoda. Analiz sposobov ego vosstanovleniya [Wear of the contact wire. Analysis of methods to restore it]. Trudy Vseros. Nauch.-tekhnich. konferentsii "Studencheskaya vesna 2013 Mashinostroitel'nyye tekhnologii" [Proceedings of All-Russian Scientific and Technical Conference Student Spring 2013: Machine-Building Technologies]. Moscow, BMSTU [Bauman Moscow State Technical University] Publ., 2013. State registration no. 0321300796. Available at: http://studvesna.qform3d.ru?go=articles& id=836 (accessed: 08.02.2019). (In Russian)
4. Kolachev B. A., Elagin V. I. & Livanov V. A. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka tsvetnykh metallov i splavov. Uchebnik dlya vuzov [Metal technology and heat treatment of non-ferrous metals and alloys. Textbook for universities]. Moscow, MISIS Publ., 1999, 416 p. (In Russian)
5. Berent V. Ya. Sovershenstvovaniye provodov kontaktnoy seti [Improvement of contact network wires]. Vestnik VNIIZhT [Bulletin of the Railway Research Institute], 2012, no. 3, pp. 40-45. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=17876165 (accessed: 08.02.2019). (In Russian)
6. Varentsov V. M., Poroshin Yu. M., Varman V. S. & Vasyutinskaya L. L. Opredele-niye maksimal 'nykh vesov poyezdov i minimal 'nykh mezhpoyezdnykh intervalov pri propuske tyazhelovesnykh poyezdov [Determination of the maximum weight of trains and the minimum inter-train intervals for heavy trains passing]. Moscow, Transport, Library of the Ministry of
Transport, Elektrifikatsiya i energeticheskoye khozyaystvo [Electrification and Energy Utilities], 1989, 15 p. (In Russian)
7. Kneschke T. Overhead conductor selection based on transient current and temperature analysis for better traction electrification system economics. Proceedings of the 2003 IEEE/ASME Joint Railroad Conference, 2003. 24-24 April 2003. Chicago, IL, USA, 2003, IEEE Catalog N.03CH37424, Library of Congress Catalog N 90-644036, pp. 1-10. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=8566 (accessed: 25.03.2019).
8. Yao R., Sun K., Liu F. & Mei S. Efficient simulation of temperature evolution of overhead transmission lines based on analytical solution and NWP. IEEE Transactions on Power Delivery, 2018, vol. 33, N 4, pp. 1576-1588. DOI: 10.1109/ TPWRD.2017. 2751563. Available at: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8036233& isnumber=8356689 (accessed: 25.03.2019).
9. Bur'yanovaty A. I. & Varentsov V. M. Veroyatnosty poyavleniy maksimalnykh to-kov fiderov [Peak current of feeders: occurrence probability]. Vestnik VNIIZhT [Bulletin of the Railway Research Institute], 2014, no. 1, pp. 30-34. Available at: https://elibrary.ru/item. asp?id=23234179 (accessed: 08.02.2019). (In Russian)
10. Bur'yanovaty A. I. & Varentsov V. M. Ispol'zovaniye veroyatnostnykh metodov dlya otsenki tokovykh nagruzok v elementakh tyagovoy seti [Application of probabilistic methods for current loads estimation in traction circuit components]. Bulletin of scientific research results, 2016, iss. 1, pp. 30-36. (In Russian)
Received: March 27, 2020 Accepted: May 26, 2020
Author's information:
Mariya V. CHERNYAVSKAYA - Postgraduate Student; mashynay@bk.ru Arkadiy I. BUR'YANOVATY - Engineer; burjan99@mail.ru
Valeriy M. VARENTSOV - PhD in Engineering, Associate Professor; elsnab@pgups.ru
