CC BY
15
УДК 621.311.06
И. В. Игнатенко, С. А. Власенко, Р. С. Кавлак
ОЦЕНКА ПЕРЕХОДНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛАШЕЧНОГО БОЛТОВОГО ЗАЖИМА
В статье приведено исследование тепловых процессов, происходящих в электрическом соединении. Предложен новый подход к оценке переходного сопротивления, влияющий на надёжную работу системы электроснабжения.
Ключевые слова: электрическое соединение, математическая модель, охлаждение, нагрев, переходное сопротивление, болтовой зажим.
Известен способ определения переходного сопротивления зажима КС-053 в эксплуатации при помощи тепловизионной съёмки. При этом используется коэффициент дефектности как отношение превышений температуры зажима к температуре провода, в метре от соединения, над температурой окружающей среды [3].
Однако тепловизионная съёмка не учитывает режим работы сети и физические параметры элементов, входящих в состав соединения, таких как масса и удельная теплоёмкость. В работе [1] показано, что коэффициент дефектности не может быть показателем качества работы соединения из-за нестационарности режимов работы. Но, с другой стороны, именно коэффициент дефектности наиболее перспективен для автоматизированной оценки состояния электрического соединения.
Для исследования обозначенного выше коэффициента было произведено математическое моделирование цикла «нагрев-охлаждение» и выявлен критерий определения переходного сопротивления соединения, образованного проводами МФ-100 и М-95, соединёнными между собой плашечным болтовым зажимом КС-053 [2].
Моделирование производилось в программной среде МаШСЛБ. Математическая модель нагрева соединительного зажима имеет следующий вид [5, 6, 7]:
Игнатенко Иван Владимирович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой систем электроснабжения (Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск); e-mail: eao79@yandex.ru.
Власенко Сергей Анатольевич — старший преподаватель кафедры систем электроснабжения (Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск); e-mail: vsa_ens@mail.ru.
Кавлак Роман Сергеевич — магистрант Электроэнергетического института (Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Хабаровск).
© Игнатенко И. В., Власенко С. А., Кавлак Р. С., 2017
21
(Зв
(С т3 + Спршир) • — = 12ЯК 20[1 + а'(Токр + в(1) - 20)] - ^
- [0,1312в14929 + е8 • 5,6697 • 10-8[(Тзаж + 273)4 - (Токр + 273)4]]
где Сз — удельная теплоёмкость материала плашек зажима, Вт-с/(кг-К); тз — масса плашек зажима, кг; Спр — удельная теплоёмкость материала провода, Вт-с/(кг-К); тпр — масса провода, участвующего в нагреве плашек зажима, кг; ЯК20 — сопротивление контакта при температуре 20 °С; а' — температурный коэффициент сопротивления проводника, 1/°С; 0^) = Тзаж — Токр — превышение температуры зажима над температурой окружающей среды, °С; Тзаж — температура зажима, °С; Токр — температура окружающей среды, °С; £ = 0,6 — относительный коэффициент черноты для бронзы АЖ9-4-10-3-1,5; 5 — площадь поверхности плашек зажима, м2.
Уравнение процесса охлаждения является частным случаем уравнения (1), в котором ток равен нулю. В таком случае уравнение примет вид:
(С3 тз + Спртпр) • ЗЙ—[0,01312в1-4929 + + ££• 5,6697-10-8[(Тзаж + 273)4 -(ТоКр + 273)4]]. (2)
После преобразований уравнения (2) получим конечную формулу для расчёта превышения температуры зажима в при его охлаждении от начального превышения 0д в вице:
в =
^0,0108438 • P • t 1 ^
С т + С т + в0А929
Сз тз + Спртпр 17 0 у
(3)
где Р — периметр сечения зажима.
Приведённое выражение получено при следующих допущениях:
— в процессе охлаждения электрического соединения температура окружающего воздуха практически остается постоянной;
— окружающая среда обладает свойством чёрного тела;
— не учитывается различие в поведении жидкостей и газов;
— воздух считается несжимаемым;
— нагревом за счёт солнечной и земной радиации можно пренебречь.
Расчёт уравнений (1) и (3) производится численным методом Рунге-Кутта с помощью блока Given-Odesolve программного пакета MathCAD 14. Фрагмент кода программы расчёта при переходном сопротивлении, равном 10 мкОм, приведён на рисунке 1.
-2,029
22
Рис. 1. Фрагмент программного кода расчёта превышения температуры зажима КС-053 при циклической тяговой нагрузке
Преимущество такого подхода заключается в возможности выполнения многовариантных расчётов при минимуме затрат времени на ввод исходных данных и на собственно расчёт.
На рисунке 2 приведено семейство кривых превышения температуры зажима КС-053 при нагревании тяговым током 600 А в течение 50 минут с последующим охлаждением при температуре воздуха — 20 °С и изменении переходного сопротивления от 10 до 75 мкОм с шагом 5 мкОм.
Так как коэффициент дефектности представляет собой отношение превышений температур зажима и провода, то необходима математическая модель цикла охлаждения провода МФ-100. Такая модель известна [5] (формула 4) и её программный код в среде МаШСЛБ имеет вид, изображённый на рисунке 3.
Уравнение охлаждения имеет вид:
JQ
СпрШпр • — = -(4,45 + 0,0175TOKp)• 0125 • P. (4)
23
1заж.г=Юмк0м 1заж,г=15мкОм Ьаж,г-20мк0м 1заж,г=25мк0м 1заж,г=ЗОмкОм 1заж,г=35мк0м 1заж,г=4(}мк0м 1заж,г=45мк0м 1заж,г=50мк0м 1заж,г=55мк0м
1заж,г=60мк0м 1заж,г=65мк0м
!заж,г=70мк0м 1заж,г-75икОм tnp
U—щ |
|
! _ ч
& 1
Ii г---" И-
■jjjf / ' т, 1
Ш f- .------ m VSs
i
г ч
lxlO3
ЗхЮ3 4х103
х103
бхЮ3 7x103 SxlO3 9х103
Рис. 2. Зависимость превышения температуры зажима КС-053 над температурой окружающего воздуха от времени
Рис. 3. Программный код расчёта температуры контактного провода и её превышения при циклической тяговой нагрузке
24
Авторами статьи предложено совместное решение уравнений (1), (3) и уравнений, представленных на рисунке 3. Результаты численного моделирования цикла «нагрев-охлаждение» соединения дают представление о том, как изменяется коэффициент дефектности при циклической тяговой нагрузке (рис. 4).
кдеф.г=10мк0м кдеф.г=15мкОм кдеф,г=20мк0м кдеф,г=26мкОм кдеф.г=ЗОмкОм кдеф.г=35мкОм кдеф.г=40мк0м кдеф,г=45мкОм кдеф.г=50мк0м кдеф,г=56мкОм кдеф,г=60мк0м кдеф,г=65мкОм кдеф.г=70мк0м
кдеф.г=75мкОм
Рис. 4. Изменение коэффициента дефектности зажима КС-053 при циклической тяговой нагрузке
Анализ коэффициента дефектности показывает, что его величина не может быть показателем качества соединения в силу своей нестационарности. Однако в ходе моделирования были выявлены иной критерий определения качества соединения и возможность его мониторинга. Устройство, выявляющее зажим с плохим переходным сопротивлением, должно быть основано на определении тангенса угла наклона кривой коэффициента дефектности.
Зависимость тангенса угла наклона от переходного сопротивления можно проследить из рисунке 4 на интервале 500 — 2000 секунд при нагреве и на интервале 4000 — 6000 секунд при охлаждении. Предлагаемый подход позволит создать автоматизированную систему мониторинга состояния электрического соединения и, как следствие, предотвраще-
25
ния аварий в системах электроснабжения по причине выхода их из строя.
Список литературы
1. Галкин А. Г. Совершенствование системы обслуживания контактной сети электрифицированных железных дорог на основе технической диагностики: дис. ... канд. техн. наук. М., 1988. 260 с.
2. ГОСТ 12393-2013. Арматура контактной сети железной дороги линейная. М.: Стандартинформ, 2014. 220 с.
3. ГОСТ 17441-84 Соединения контактные электрические. Правила приёмки и методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1987. 16 с.
4. Григорьев В. Л., Игнатьев В. В. Тепловые процессы в устройствах тягового электроснабжения: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. М.: Изд-во ГОУ «УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. 182 с.
5. Игнатенко И. В., Власенко С. А. Определение критериев оценки качества электрического соединения / / Электротехника. 2016. № 2. С. 9 — 11.
6. Игнатенко И. В., Власенко С. А. Повышение эксплуатационной надёжности токопроводящих зажимов контактной сети электрифицированных железных дорог: монография. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2016. 116 с.
7. Игнатенко И. В., Власенко С. А. Проблемы определения качества электрического соединения / / Транспорт азиатско-тихоокеанского региона. 2015. № 1 (2, 3). С. 32—35.
•Jc -Jc -Jc
Ignatenko Ivan V., Vlasenko Sergey A., Kavlak Roman S. ESTIMATION OF TRANSITIONING ELECTRICAL RESISTANCE OF A BOLT CLAMP
(Far Eastern State Transport University, Khabarovsk)
The article gives a research of the thermal processes occurring in an electrical connection. A new approach for estimating the transient resistance, which affects the reliable operation of the power supply system is proposed.
Keywords: Electrical connection, mathematical model, cooling, heating, transient resistance, bolt clamp.
References
1. Galkin A. G. Sovershenstvovanie sistemy obsluzhivaniya kontaktnoy seti elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog na osnove tekhnicheskoy diagnostiki (Perfection of the maintenance system of the contact network of electrified railways on the basis of technical diagnostics), The dissertation of the candidate of technical sciences, Moscow, 1988. 260 p.
2. GOST 12393-2013. The armature of the railroad contact system is linear, Moscow, Standartinform Publ., 2014. 220 p. (In Russ.).
3. GOST 17441-84 Connections of electrical contacts. Acceptance rules and test methods, Mosow, Standards Publ., 1987. 16 p. (In Russ.).
4. Grigoryev V. L, Ignatiev V. V. Teplovye protsessy v ustroystvakh tyagovogo elektrosnab-zheniya (Thermal processes in devices of traction power supply), Textbook for high schools of railway transport, Moscow, 2007. 182 p.
5. Ignatenko I. V, Vlasenko S. A. Determination of criteria for assessing the quality of
26
electrical connections [Opredelenie kriteriev otsenki kachestva elektricheskogo soedineniya], Elektrotekhnika, 2016, no. 2. pp. 9—11.
6. Ignatenko I. V., Vlasenko S. A. Povyshenie ekspluatatsionnoy nadezhnosti tokoprovod-yashchikh zazhimov kontaktnoy seti elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog (Increase of operational reliability of current-carrying terminals of the contact network of electrified railways), Khabarovsk, DVGUPS Publ., 2016. 116 p.
7. Ignatenko I. V., Vlasenko S. A. Problems of determining the quality of electrical connection [Problemy opredeleniya kachestva elektricheskogo soedineniya],
Transport aziatsko-tikhookeanskogo regiona, 2015, no. 1 (2, 3), pp. 32—35.
* * *
27
