CC BY
69
110
Техника и технологии
содержание устройств электроснабжения требует существенного снижения, что невозможно без изменения системы обслуживания устройств железнодорожной электроэнергетики. На сегодняшний день наиболее перспективной является интегрированная организация обслуживания устройств электроснабжения, основанная на применении методов статистического и математического анализа, современных устройств и систем диагностики, а также систем непрерывного мониторинга состояния устройств электроснабжения.
В данной статье указаны основные закономерности распределения отказов электрооборудования, определены условия повышения надежности тягового электроснабжения, описаны современные и перспективные автоматизированные системы диагностики, мониторинга и эксплуатации устройств электроснабжения. На основе комплексного подхода к задаче диагностирования определены перечни и приоритетность включения в систему мониторинга оборудования для перехода к обслуживанию по фактическому состоянию. Определены основные задачи, требующие приоритетного решения для реализации интегрированной модели обслуживания железнодорожной электроэнергетики.
Библиографический список
1. Перспективы автоматизации устройств электроснабжения на Октябрьской железной дороге / Д. В. Барч // Шаг в будущее. Неделя науки. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2010. - C. 86-89.
2. Анализ работы и повышение надежности устройств электроснабжения электрифицированных железных дорог / С. М. Сердинов. - М. : Транспорт, 1975. - 369 с.
3. Комплексный подход к задаче диагностирования оборудования и управления тяговыми подстанциями постоянного и переменного тока / В. Ф. Грачев // Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте : материалы Пятого Международного симпозиума «Элтранс» 20-23 октября 2009 г. -СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2010.- С. 376-385.
4. Система мониторинга и диагностики силового и коммутационного оборудования тяговых подстанций / Е. Н. Розенберг, С. К. Басыров // Евразия-вести. - 2011. - С. 15.
5. Концепция развития и внедрения технического диагностирования в хозяйстве электрификации и электроснабжения ОАО РЖД : утв. 15.09.2011, № 00-02-06/2252. - М., 2011.
УДК 62-97/-98 А. П. Бирюков
Петербургский государственный университет путей сообщения
РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК МОЛНИЕВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ,
ВОЗНИКАЮЩИХ НА СОПРОТИВЛЕНИЯХ ЗАЗЕМЛЕНИЙ
Анализ электромагнитной обстановки на объектах железнодорожной автоматики и телемеханики (АТ) является одной из актуальных задач обеспечения бесперебойности их работы. В существующей нормативной документации отсутствуют методики расчётов, учитывающие энергетические характеристики токов молнии вкупе с динамикой происходящих процессов. Необходим теоретический расчёт динамического сопротивления заземлителей при воздействии на них токов молнии для возможности его учёта при проектировании устройств АТ. Автором рассматриваются математические модели молниевых перенапряжений, возникающих на стержневых заземлителях. Показано, что процесс ионизации грунта существенно влияет на характеристики этих перена-
2012/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
пряжений, поражающих изоляцию оборудования с подключенными радиально заземлителям кабельными или воздушными линиями.
вольт-амперная характеристика импульса тока молнии, постоянная времени ионизации, критическая плотность тока.
Введение
В связи с появлением в эксплуатации микропроцессорных устройств автоматики и телемеханики одним из наиболее актуальных вопросов становится их защита от импульсных перенапряжений, возникающих в том числе от молниевых разрядов.
Действующие на сегодняшний день методические указания [1] требуют доработки в связи с отсутствием методик выбора устройств защиты от импульсных перенапряжений, учитывающих электромагнитную обстановку на защищаемом оборудовании и линиях связи.
Документом, регламентирующим проведение испытаний на устойчивость устройств автоматики и телемеханики в ОАО РЖД к импульсным перенапряжениям большой мощности, являются временные нормы [2], основанные на косвенно-прикладных методах (изучение описания испытаний зарубежных лабораторий) и содержащие ограниченное число данных о мощности импульсов молний. Необходимо теоретическое обоснование импульсных молниевых процессов с экспериментальным подтверждением результатов расчёта для выработки методики выбора средств защиты от импульсных перенапряжений при проведении проектных работ.
1 Модель изменения сопротивления заземлителя во времени
Для расчета импульсной вольт-амперной характеристики заземлителя будем моделировать реальный стержневой заземлитель эквивалентным заземлителем полусферической формы. Чтобы перейти от полусферического заземлителя радиусом r0 к стержневому за-
землителю длиной l и диаметром d, воспользуемся формулами расчета сопротивлений для малых токов:
R
стерж
2п l
ln
V d J
R =
лшар ^
2n r
(1)
Приравнивая эти сопротивления и задавая диаметр стержневого заземлителя d, например 20 мм, получаем формулу для определения радиуса полусферического заземли-теля:
ro =
l
ln
' 4l ^
V d J
(2)
На рис. 1 приведен график зависимости r0 от l при d = 20 мм.
При моделировании существенным обстоятельством будет учет процессов ионизации в грунте. В этой связи представляет
00 2 4 6 8 10
l
Рис. 1. График зависимости радиуса полусферического заземлителя от длины стержневого при диаметре последнего d = 20 мм
ISSN 181 5-588Х. Известия ПГУПС
2012/3
112
Техника и технологии
интерес методика расчета импульсных полей, предложенная австралийскими инженерами М. Дарвиницей и А. Лиевым [3]. В ее основу положена динамическая модель развития ионизации в грунте под действием импульсного тока. Ионизация возникает в тот момент, когда напряженность электрического поля достигает некоторого критического значения для данного грунта Екр. При этом критическая плотность тока
Jкр = Екр ! р0. (3)
Условие (3) соответствует возникновению местного пробоя под действием диффузии и ионизации грунта при прохождении импульсной волны. Удельное сопротивление изменяется во времени от своего стационарного значения р0 до наименьшего значения по экспоненциальному закону:
(
Р = Ро exp
V
(4)
где Т - постоянная времени ионизации грунта.
При уменьшении тока удельное сопротивление грунта будет восстанавливаться до своего первоначального значения р0 вида
снижаться в соответствии с формулой (4). Минимальное значение pmm будет достигнуто, когда плотность тока J в рассматриваемой зоне снизится до критической J после чего будет происходить деионизация грунта, а его удельное сопротивление возрастет и в конечном счете достигнет своего начального значения р0. Возрастание удельного сопротивления можно определить по формуле:
P = Pmm+(Po-Pmin)
f Г
1-ехр
V V
fYl
г
1-
V
J
\2
J,
кр у
(6)
Таким образом, отдельные зоны грунта будут иметь различную плотность тока, изменяющуюся во времени, и соответственно различное удельное сопротивление. Картина распределения потенциала электрического поля в грунте и вольт-амперная характеристика импульсного процесса могут быть построены в данной ситуации только с использованием компьютерных вычислений.
2 Модель молниевого перенапряжения на нелинейном сопротивлении заземлителя
(
Р = Р0
(
1 -exp
V 2
(5)
где Т2 - постоянная времени деионизации грунта.
Сценарий развития разряда в грунте можно описать теперь следующим образом. При нарастании тока через грунт его сопротивление не меняется до того времени, пока плотность тока не превысит критическую величину, после чего происходит резкое снижение удельного сопротивления в соответствии с уравнением (4). Зона ионизации расширится и достигнет максимума в момент достижения амплитудного значения тока. Затем плотность тока уменьшается, а зона ионизации сужается. Там, где она превышает критическую величину J ионизация будет развиваться и сопротивление грунта продолжит
Для такого расчёта необходимо располагать тремя основными параметрами грунта: критической напряжённостью Екр, постоянными времени ионизации Т1 и деионизации Т Эти величины для ряда грунтов были определены в опытах Дарвиницы и Лиева [1], а также при испытаниях, проводившихся другими исследователями. Значения, характерные для постоянных времени ионизации грунта Т1, устойчивы и составляют 1,5-2 мкс; время деионизации Т2 для разных грунтов различно и меняется в значительных пределах - от 0,5 до 4,5 мкс. В любом случае это время оказывается значительно меньше длительности импульса тока молнии.
Полагая далее заземлитель полусферическим, запишем формулу для напряженности поля в грунте до развития ионизационных процессов:
2012/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
113
E (г)
Л)р0
2п г2 ’
(7)
где I0 - амплитудное значение тока молнии.
гаемое Дф2 - падение потенциала на второй области.
Производя интегрирование в (10), получим:
2.1 Расчёт вольт-амперной
характеристики спада импульса тока молнии (без учёта фронта)
Пренебрегая длительностью фронта импульса тока, запишем выражение для его спада:
i(t) = I0 exp
t
T
(8)
где T - постоянная времени импульса.
Границу ионизационной зоны найдем из уравнения E (г) = Екр. Получим:
i (t) -р0
1 0 Г1 11 2п t Vi
— + — х exp —
г V кр V г0 г J V T1JJ
+ Дф2.
(11)
Опуская преобразования, получаем следующую приближенную расчетную формулу:
ф^t)
10р0
ГГ
2п гк
кр
кр
exp(-t / T") +
VV '0 J
(12)
+A exp(-t / 2T) + B exp(-2t / T)),
г=
кр
10р0
2n E
кр
(9)
Для вычисления потенциала на поверхности заземлителя ионизационную зону разделим на три части, ограниченные полусферами. Первая (удаленная) часть задается неравенством г > г . В этой области удельное сопротивление грунта остается неизменным. Вторая часть задается неравенством г(i) < г < гкр. В этой области происходит деионизация и удельное сопротивление растет по закону (6). И, наконец, в третьей области, определяемой неравенством г0 < г < г (i), удельное сопротивление уменьшается по закону (4). Здесь г0 - радиус полусферического заземлителя. Потенциал на поверхности за-землителя вычисляем по формуле:
ф^t) = J i(t) р0 dг +
г 2п г
'кр
'Ч> i(t)-рд) Д
+ J - 2 d + Дф 2,
L 2п г
(10)
где первые два слагаемых представляют собой падение потенциала на первой и третьей областях соответственно, а третье сла-
ще Т" = Т1 Т/(Т1 + Т).
С помощью формулы (12) построены и представлены на рис. 2 графики зависимости напряжения на заземлителе от времени при постоянной времени ионизации грунта T1 = 1,5 мкс, T = 50 мкс, удельных сопротивлениях грунта 100 и 1000 Ом-м и амплитуде
0 20 40 60 80 100
t
Рис. 2. График зависимости напряжения на заземлителе от времени спада импульса, мкс (по оси абсцисс отложено время, мкс, по оси ординат - напряжение, В)
ISSN 181 5-588Х. Известия ПГУПС
2012/3
114
Техника и технологии
импульса тока 25 кА. На графиках рис. 2 хорошо видны быстрая и медленная компоненты импульса напряжения.
2.2 Расчёт вольт-амперной
характеристики фронта импульса тока молнии
Перейдем к решению задачи расчета напряжения на заземлителе в более реалистичных условиях, т е. с учетом конечной длительности фронта импульса тока молнии. Ток фронта импульса будем аппроксимировать линейной зависимостью:
Подставляя (15) в (14) и производя интегрирование, получим:
ф0ь,0
Ро^дд/о 2 71
f t i f n
+ —-f-exp ■A(r0,t)
fib l -*1 J J
, (16)
где Л(г0, t)
exE(£!> *.
z
m=io f. <13)
тф
где Тф - длительность фронта импульса.
Радиус зоны r (i), в которой начинают развитие ионизационные процессы к моменту времени t, определяется соотношением (9) с заменой 10 на i (t). Тогда потенциал на поверхности заземлителя вычислим по формуле:
Ф(ГЪ t) = I 1 (t) Р20 dr +
r (i)
2n r
+' f «>Рфо dr,
m 2n r
(14)
Заметим, что формула (16) справедлива тогда, когда возникает искровая зона. Это имеет место, если значение r (i) превосходит r0. Указанное соотношение будет выполняться начиная с момента времени t который определяется уравнением
V
t
2п ЕкрТф
= r0.
(17)
Решение этого уравнения имеет вид
2
t0 =
r
V кр
■ ТФ.
(18)
где первое слагаемое представляет собой падение потенциала в области вне искровой зоны, а второе слагаемое - падение потенциала в области искровой зоны.
Удельное сопротивление грунта в искровой зоне (р3 (r, t)) определим с учетом (4) по следующему соотношению
Окончательно для напряжения на зазем-лителе U получаем следующую формулу
р010
U (ro, t) = <
2п г0Тф Ф(гУ t),
t, t < L
t > L
(19)
Рз(г , t) = P0exP
f t -1 (r ) Л " T
Напряжение на заземлителе достигает мак-(15) симума при t = Тф. С учетом (16) для этого напряжения (U ) получаем
Т
ф I г
Р0
2п E,
кр
где t (r) = — ■ I — I - момент времени, к ко -10 V к J
торому граница искровой зоны будет иметь радиальную координату r, а к =
Umax(10) = 3^^ х
(
Т
1 I I ф
1 + J—■ exp
2п
I т Л
(20)
ф
Т
'Л(r0, Тф )
2012/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Техника и технологии
115
Это соотношение и представляет вольтамперную характеристику заземлителя.
На приведенных ниже графиках (рис. 3, а, б, в) показаны семейства вольт-амперных характеристик полусферического заземлите-ля в грунтах с удельными сопротивлениями 50, 100, 300, 500 и 1000 ом-м. Постоянная времени ионизации (определяющая скорость развития ионизационных процессов) для всех графиков равна 1,5 мкс. Радиус полусферического заземлителя всюду составляет 0,3 м. Вычисления выполнены с помощью
формулы (20) для длительности фронта импульса 10 мкс (значительно больше 1,5 мкс), 2 мкс (сравнимо с 1,5 мкс) и 0,5 мкс (меньше
1,5 мкс).
Заключение
Анализируя результаты исследования, можно сделать следующие выводы. Молниевые импульсы тока с крутыми фронтами создают на стержневых (и не только) заземлителях
а)
б)
0 ^ ----------------------------------------------------
0 2 - 104 4 - 104 6 - 104 8 - 104 1 - 105
I
в)
0 2 - 104 4 - 104 6 - 104 8 - 104 1 - 105
I
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики полусферического заземлителя с Тф = 10 мкс (a), с Тф = 2 мкс (б) и с Тф = 0,5 мкс (в) (для грунтов с удельными сопротивлениями 50, 100, 300, 500 и 1000 ом-м (по оси абсцисс отложен пиковый ток импульса (в амперах), по оси ординат - пиковое напряжение импульса на заземлителе (в вольтах))
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/3
116
Техника и технологии
значительные по амплитуде импульсы напряжения, которые прикладываются к изоляции электротехнических устройств с подключенными радиально заземлителям кабельными или воздушными линиями, если корпуса устройств соединены с этими заземлителями, а защитные средства отсутствуют. Вместе с тем нелинейное поведение сопротивлений заземлений существенно облегчает работу защитных средств, позволяя выбирать их с меньшей величиной джоуле-ва интеграла и соответственно более дешёвые. Следовательно, молниезащитные за-землители фактически являются начальным каскадом систем грозозащиты и их следует рассматривать в единстве с остальными элементами этих систем.
Библиографический список
1. Методические указания по проектированию устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте И-247-97. Защита от перенапряжений устройств автоблокировки и электрической централизации / Институт ГТСС МПС. - СПб. : Институт ГТСС МПС, 1999. - С. 10-28.
2. Временные нормы «Требования к характеристикам испытательных импульсных воздействий на системы ЖАТ» / Департамент ТЩТ ОАО РЖД, ПКТБ ЦШ. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2007. - С. 1-18.
3. Заземляющие устройства электроустановок / В. В. Бургсдорф, А. И. Якобс. - М. : Энер-гоатомиздат, 1987. - С. 300-309.
UDK 621.332 УДК 621.332
K. K. Kim, A. N. Abankin, I. M. Karpova K. K. ^м, A. Н. Абанькин, И. М. Карпова
Petersburg State Transport University
Петербургский государственный университет путей сообщения
ISOLATOR-ARRESTER FOR CATENARY ИЗОЛЯТОР-РАЗРЯДНИК ДЛЯ КОНТАКТНОЙ ПОДВЕСКИ
We propose an isolator-arrester as a principally new device to protect the catenary against direct lightning strokes. We describe the results of investigations on improving the arc-suppressing properties of an isolator-arrester with the help of the software package ELCUT of a field simulation and give the numerical values of the parameters influencing on the rate of the arc extinction in the proposed device at the running of a pulse current of lightning through it. We present the analysis of the influence of the new modification of an isolator-arrester on the voltage distribution along the insulator string.
Предложен изолятор-разрядник как принципиально новое средство для защиты контактной сети от прямых ударов молнии. Приводятся результаты исследований по улучшению дугогосящих свойств изолятор-разрядник с помощью пакета полевого моделирования ELCUT. Определены численные значения параметров, влияющих на скорость гашения дуги в предложенном устройстве при протекании по нему импульсного тока молнии. Проведен анализ влияния новой модификации изолятора-разрядника на распределение напряжения по гирлянде изоляторов.
2012/3
Proceedings of Petersburg Transport University
