автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование электромагнитных и тепловых процессов в устройствах электропитания систем железнодорожной автоматики при атмосферных перенапряжениях

На правах рукописи

КОСТРОМИНОВ

РГ6 О Л Александр Александрович

УДК 656.25:621.317.019

О

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В УСТРОЙСТВАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ ПРИ АТМОСФЕРНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯХ

05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Работа выполнена на кафедре «Теоретические основы электротехники» Петербургского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор ГАМАЮНОВ А. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук КОРОВКИН Н. В.; кандидат технических наук, доцент ЕГОРОВ В. В.

Ведущее предприятие — дирекция «Дорсигналсвязь» Октябрьской железной дороги.

Защита состоится 25 февраля 1998 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета К 114.03.07 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, С.-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «. /¿Г » января 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. «., доцент

В. С. СМИРНОВ

Общац sapaiiTcpiscTiKM раЗоты.

Лгггузяьяссть та5лстл. ,

Проблема защиты электротехнических устройств я системах железнодорожной автоматики и телемеханика от ыощтхк импульсных помех занимает приоритетное место среди ключевых задач повьппежш глдежнсстн устройств п спстем автоматики. Так повсеместный переход к каСетал электропитания систем железнодорожной автоматики без металлопскроЕЗ породил ряд Еогтрсссо. Сюда относятся последствия влвдния молннегъгс разрядов из нормальное функционирование систем, электропитания. Практика показала, что п грозогой период не редки случаи пробоя изоляции кабелей. Это прпголдгт к гозникнопешпо опасности поражения электрическим током обслуткигкошего системы автоматики персонала. Таким образом, изучение механизма сбрглоЕангд перенапряжедан на пзоляшт №белгй без метгллопскрог.а представляет научный я практический интерес. Другой гопрос связан с непреднамеренной яяаеткяшей тока молнии по жилам кабеля. сушсствозгшш такого ronposa оетозк'шо укззызгет факт массового выхода нз строя разрядников и вьфпжапгатеяей. Нзжеяеа, анализ принт! возникновения пожароз в системах хелезнодорегахй нзто?.йпсз1 поглзгл, что в ряде случаев обнаруживается связь еозгердша с пактж-s определенных неисправностей в системе электропитания. Отсюда вытекает актуальность пглпг-нгнкя причин гозкшэтосекм:! поетроспзеных ситуаций для эффективной борьбм

С 1!!Ш1!. .

Отдельные аспекты указанных проблем рз сс.мзтршаянсь з -грудах педу-пнх ученых, занятых как з области теоретической эдектротемнЕш, -ras н з сфере практической разработки и проектирования электротеяпячгскяс систем. Вопросам теории и практического нсгользопзшгя яаггмюясшкх устроЛстэ посвяжены работы В. В. Бургсдорфа, Л. Л. Вайпера, С. И. Ксгтру&л, Ф. Озлендср-фа, Л. И. Якобса, и др. Важные результаты бмлн получены Е. Я. РлСгсспой js ее уче-пнкамн при использосгкин методов физического стдедггрегакл. В работах Э. М. Базеляиа, И. С. Сгекольдагсосз и друпсс двторез я?ивад?ггы оеноигие представления о молниевых процессах н практических средствах грозозащиты. Исследованиям волносых нронсссоэ в длинных якнддх госс.та;гпп работы М. В. Костенко, Н. В. Короскниа н др.

работ;»;. Целью работы является Д2лг.псь'!-гге согершекстгсвгггиз теории перенапряжений и разработка практически репокгнддцтй по грозозащите устройств электропитания систем унравяеигя га гггт.гакодороягом трзиспор-

Выполнение поставленной цела сбееггчкддетсз рггегдггм еяедуйвзге

задач.

1. Разработка механизма и нсследовадаг хердктернспя г.еренгпргияитй на изоляции кабелей без металлопокрова, расположенных ргггилько отеоипгльно грозозащитных зазгмлителгй.

2. Исследование методов повышения стойкостл эттгх сг&лгЗ к cnscstbH« перенапряжениям.

3. Разработка методов электромагнитной совместимости устройств электропитания с грозовыми процессами, а также рекомендаций по средствам, способным обеспечить электромагнитную совместимость устройств.

4. Исследование тепловых процессов в кабельных линиях, обусловленных непреднамеренными стационарными токами, вызванными грозовыми повреждениями в элементах электропитания.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись с привлечением аналитических и численных методов решения краевых задач для электромагнитных и температурных полей, теории эксперимента, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна. Научная новизна диссертации заключена: !) в разработке элементов теории перенапряжений в кабеле без. металлопокрова, расположенных радиалыю к грозозащитным заземлнтелям; при этом разработанные элементы теории перенапряжений в кабеле являются развитием теории заземлений;

2) в разработке концепции грозозащиты устройств электропитания многочисленных объектов железнодорожной автоматики, основанной на преднамеренной канализации тока молнии через жилы кабелей электропитания;

3) в разработке метода нормирования параметрического пространства грозозащитных средств для устройств электропитания объектов железнодорожной автоматики и определении численного значения важнейшего норматива — даоулева интеграла;

4) в разработке математических моделей тепловых процессов в жилах кабельных линий, обусловленных непреднамеренным протеканием через них тока вследствие послегрозовых повреждений.

Практическая ценность.

1. На основе разработанной математической модели грозовых перенапряжений на изоляции кабелей без металлопокрова установлено, что благодаря искровой зоне сопротивление грозозащитных заземлителей существенно уменьшается. Этот факт не учитывается при измерении сопротивлений грозозащитных заземлителей существующими методами.

2. Грозовые перенапряжения на изоляции кабеля без металлопокрова превышают ее импульсную прочность (J70 кВ для кабеля типа СБПу) й ил/роком дна-пазоне вариации параметров модели. Данный результат позволяет объяснить факты грозового поражения изоляции кабелей в эксплуатируемых системах электропитания.

3. Для грунтов с удельным сопротивлением р S 200 Омм перенапряжение на изоляции кабеля без металлопокрова снижается при увеличении длины вертикального стержневого заземлителя; это свойство позволяет в указанных грунтах управлять уровнем риска грозового поражения кабелей.

4. Установлено, что гидрофобизация кабелей с полиэтиленовой изоляцией практически не влияет на их гро¡»стойкость.

5. На основе джоулева интеграла предложено взамен разрядников РВНШ-250 и выравнивателей ВОЦ-220 в системах СЦБ использовзть металлокерамические разрядники Р-63, Р-64. Предложенный джоулев интеграл как важнейший норматив, определяющий надежность грозозащитных средств, существенно из-

мсняет представления разработчиков, проектировщиков н специалистов по эксплуатации уязвимых по откошетпо к грозовым поражениям систем о выборе типов грозозащитных приборов. 6. Разработанные тепловые модели жил кабелей электропитания позволили объяснить причину существенного (порядка нескольких суток) запаздывания возникновения по::сгров в системах железнодорожной автоматам по отношению к времени грозокых воздействий.

Дпрс5яи»я заботы. Основные результаты работы докладывались н обсу-ясдались на Третьей российской научно-техгапеской конференции «Электромагнитная совместимость техрютесгасс' средств и биологических объектов» (С.-Петербург, 1994 г.), Одиннадцатой научно-технической конференции на специальную тему (С.-Петербург, 1994 г.), Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагшгшой экологии ЭМС-95 (С.Петербург, 1995 г.), Четвертой российской научно-технической конференции «Электромагнитная соеместгаюсп> технических средств и биологических объектов» (С.-Петербург, 1996 г.),.), Международном симпозиуме по элею-ромапшт-лой совместимости к электромагнитной э::олопш ЭМС-97 (С.-Петербург, 1997 Г.), на заседании кафедры «Теоретические ос;юзы электротехники» Петербургского государственного университета путей сообщения (С.-Петербург, 1995, 1996, 1997 годы), на тсхпнчссглх советах службы электроснабжения Огсгябрь-с::ой железной дорога (С.-Петербург, 1996 г.) и службы сигнализации и связи Октябрьской железкой дороги (С.-Петербург, 1995, 1995, 1997 годы), на совместном техтпсском сосете гяавкоа ЦШ н ЦЭ (Москва, 1995 г.).

Досто^пк-'Ч-т;. 1п.тгчнг.п: пс.тпяеги;;". Достоверность подтверждена на-блмдгемшш в прггптгке слушда грозогмх порагтешей изоляции табелей, случаями взрыва "сил токами М0Я1ай, а также экспериментальной проверкой на специальном полигоне.

Реализация работы. Ка осиов&пш выполненных в работе исследований разработаны технические требования к грозозащитным приорам, разработана конструкторская докумегггация и Петербургсетел Электротехкяческтл заводом МПС вылущена партия экспериментальных образцов этих приборов для проведения раеппфепккх пепыташм на грозоактизгагх участках Октябрьской железной дороги.

Пу6.пп;;атду.;ч. По "КК2 диссертации опубликовало 10 печатных работ.

Ст?»у.'сгуг)л п обьем рт?отм. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих зьшодоа, списка литературы п приложений. Общий объем диссертант 139 страшгц мзппжошгспого текста (без прилолдапш, рггсуш;ов и таблиц). Кроме того, диссертация содержит 20 таблиц п 42 рисунков, а также приложе-ши, состоящие из 45 страниц. Список литературы содср;игг 85 наименований.

Содсразтие тобаты.

В введении обоснована актуальность выбранной теми исследования. Показана важность изучения проблемы грозостойкосто средств элггпропнташи систем автоматики ;кгдезполоро;ккого транспорта, которое, по данным эксплуатационных каблюде;шй , оказываются наиболее уязвимыми для молниевых процессов. Ежегодно на железна дорогах России с грозаампшме периоды происходят conta грозовых поражений средств электропитании, при этом поведсюзе кабелей электропитания. подключенных к малоыощшдм поникающим трансформаторам и канализирующих ток ыогааа!, оставалось наименее изученный, хотя роль кабелей в грозостойхостп средств электропитания приоритетная. Так, в среднем га одной га двадцати дпух сигнальных точек ежегодно происходит nopaxeinte изоляции кабелей" между кабсльки:.п! ящиками и релейными шкафами. При этом отклонешге от средних показателей может быть весьма существенным. На тех дистанциях сигнализации п связи, где преобладают сгллыше группы, вероятность пробоя изолящя значительно больше, чем па грунтах с высокой удельной проводимостью. Разумеете;:, а практш;е эксплуатации кабгль-1гых лшнй повреждение изоляции может происходить и по друпш причинам, папрж!ер,.за счет мехашнсских деформаций табелей под воздействии: прохс-днцсй над кабелышми трасса-'.w тяжелой техник« (азтомебкяей, тракторов) иди под воздейотснем внешних фесторов среды (сезонные температурные циклы, влажность грутгта и т. д.). Нас с проблеме надежности нзоялцин кабелей шгтере-сует та часть атдосз, которая обусловлена элгктр5иескиии пробоями пзолящгп, Taie как :п:сшш для этого вкда повргздеша! до настоящего времени не ;п.:сстсз удозлетворнтекыШЕХ оапсаикй. Очевидно, не зная прачки пробоя, пгаоз>.:ома:э планировать игры борьбы протпз этого явлетм как в эксплуатационных усло-1,так ц па стадии преггагироватш и строительства. Выхед же кабеля из строя всегда является бояезнещпдм событием, поскольку его замена существенно отличается, напр:п,;ер, от г.;аа сгоревшего предохранителя. Итак, сугцест-ьует актуальность научного псследозашм причин электрического пробоя нзоля-. щш кабелей этаггропцташш без метагшопокрова, в больших масштабах эксплуатируемых, с частности, па Октабрьской я;елсзлой дороге, и разработки методов борьбы с этим явлением. .Л

Исследование пробоя изоляции кабелей без металлопокроса зашц.-агт важное место с диссертационной работе, однако ¡сучение другж аспектов. процессов г, кабеле, связанных с молниевым воздействием представляет также большой практический inrrcpec. В взедешш обосновывается актуальность рас-с/.отрсигл приютяшалыю нового критерм вкбора характериспж разрядшхков грозозащиты кабеля на сопоставлении этих характеристик с аиалопгшыми параметрами там кабеля. Поскольку в иракпше эксплуатации систем хселезподо-ромаюй автоматики 5клсли место случаи пожаров, ¡cas правило возникающих спустя некоторое г.р.емд после прохождения гроз, большое сиииспие в работе уделено 11зучсшао npiwïia их возкикиоБешш.

В первой главе проводите«.анализ состояния вопроса грозозащиты устройств элекгрогаггапид и форыуяфоватю целей и задач неелгдовашк. Валшсс место в главе отводится выделению объекта »¡гследозашьт. Отмечается, что проблема ззщита электротехнических устройств в системах железнодорожной ас-

томатики и телемеханики от мощных импульсных помех занимает приоритетное место среди ключевых задач повышения надежности устройств и систем автоматики. Под понятие помех подпадают процессы, способные привести к сбою в работе того ила иного электрического устройства. Основное внимание привлекает класс мощных импульсных помех, энергия которых превышает пределы!ую импульсную энергию тепловой стойкости элементов рассматриваемой системы. К этому классу относятся коммутационные я аварийные процессы в системах электроснабжения, в контактной сети и грозовые разряды. Анализ случаев поражения систем автоматики показал, что существующие средства защиты либо не эффективны изначально, либо теряют со временем свои защитные свойства.

Помимо недостатков, присущих защитным средствам в системах электропитания, обнаруживается проблема, связанная с возникновением непреднамеренной канализации тока молнии по жилам питающего кабеля. На рис. 1 представлена типовая схема грозозащиты сигнальной точки железнодорожной автоматики.

При ударе молнии в воздушную линию ток могапот начинает протекать через разрядних РВП-10 сопротивление высоковольтного заземления. Когда падение напряжения на этом сопротивлении достигает величины, превышающей напряжение пробоя пробивного предохранителя ПП-ЗА (1,4 - 1,7 кВ) и разрядника РВНШ-250 (0,7 - 1,7 кВ), эти приборы срабатывают, я часть тока молнии проходит по низковольтному питающему проводу к рельсам.

Подтверждением того, что ток молнии непреднамеренно канализируется через ннзховолътные питающие провода, является факт массового повреждения разрядников РВНШ-250 и пробивных предохранителей. Практически единственной причиной таи« повреждений может быть только прохождение через них тока молнии.

С высоковольтным загемлителем связана еще следующая проблема. Канализация через нчем.иггель тока молнии приводит к тому, что в окружающем заземлится!. грунте во шикают сильные электрические поля. Наличие таких полей, по-видимому, может привести к тому, что на оболочке питающего кабеля, расположенного радиалько относительно ззземлителя, гоздашет значительное т-

пряжеиие, превышающее импульсную стойкость его изоляции. Известно, что при прямых ударах молнии в землю вблизи трассы кабеля связи наблюдаются случаи многократных пробоев изоляции между жилами, оболочками и броней на значительном удалении от точки удара молнии. В случае описанных устройств электропитания можно ожидать возникновения кналогичных процессов с учетом, конечно, специфики данной системы. Косвенным подтвержденном налнчия проблемы перенапряжений на оболочках кабелей электропитания без металло-покрова о системах железнодорожной автоматики являются обнаруженные с процессе эксплуатации факты прекращения функционирования кабелей при исправных разрядниках РВНШ-250.

Проблемы, связанные с отсутствием учета слияния поля заземлите ля ка проложенный вблизи него кабель электропитания без металлопокрова, требуют выполнения аналитического обзора состояния вопроса относительно заземляющих устройств. Поэтому в первой главе значительное внимание было уделено проведению такого обзора. Значительные работы в области теории заземлений при импульсных токах , моделирования и заземлений в полевых условиях были проведены на кафедре ТВН МЭИ под руководством Е. Я. Рябковой с участием В. 3. Анненкова и В. М. Мишкина. Результаты исследований работы заземлитс-лей при импульсных токгх были обобщены в монографии Е. Я. Рябковой. Обобщение теоретических исследований по зазеыителям имеется в книге В. В. Бургсдорфа и А. И. Якобеа. Испытали* в полевых условиях проводились в ВЭИ и особенно широко в ХПИ, причем были обследованы иг только вертикальные, но и горизонтальные заземлители. За рубежом ценные исследования в полевых условиях были проведены В. Л. Белласки (США), К. Бергером (Швейцария), Г. Е. Дарвенкцей и А. С. Лиевым (Австралия).

Аналитический обзор показал, что известные наработки в области теории заземлений не включают моделей перенапряжений на изоляции кабелей указанного класса. Для анализа причин высокого потока отказов приборов грозозащиты (разрядников) был проведен обзор используемых в устройствах электропитания железнодорожной автоматики приборов и их характеристик. Была отмечено, что среди основных характеристик отсутствуют данные по импульсной тепловой стойкости этих приборов.

Во всех указанных выше задачах в качестве объекта исследований выступает влияние грозовых разрядов на устройства электропитания систем управления на железнодорожном транспорте. Это влияние может проявляться как в виде непосредственного действия тока молнии на элементы устройств (тепловое действие), так и в виде полевого воздействия на кабель электропитания, способного привести к пробою изоляции кабеля. Кроме того, грозовые разряды могут приводить к возникновению некоторых специфических ситуаций, таких ка* однофазное замыкание на землю. При этом ток однофазного замыкания длительное время может канализироваться по жилам кабеля и приводить в конце концов к плавлению изоляции жил и короткому замыканию с вытекающими отсюда последствиями. Подобное воздействие грозовых разрядов ка системы электропитания, в отл1!чие от указзиных выше видов воздействия, носит косвенный характер.

Результатом снгл1гпгчгст:ого обзора пергой главы явились сформулированные цель и задачи работы, приведенные в начале автореферата.

Во второй главе проводится подробное рассмотрение важнейшей задачи данной работы о напряжении, возшпаиспгем из изоляции кабеля без металлопо-крова, расположенного радпально относительно заземлителя. Было проведено экспериментальное исследование фактических сопротивлений заземлителей (высоковольтного и шпкозольтного). Получено, что для сделанной выборки с вероятностью 95% имеет место логарифмически нормальнее распределение, пр!кем тши. в 10% случаев дяч основной и в 5% для резервной линий электро-гагшп'л измеренное течение сопротзязлешм не превышало 10 Ом (т. е. укладн-палось д существующий норматив). Это обстоятельство дает возможность сделать предположение о высокой опасности поргжешш изоляции кабеля при ударах молит. Для проверки этого утверждения необходимо перейти к рассмотрению мехашпма образования перекелр.ткешм па изолхщт кабеля и сделать чис-лешшг оцгики.

Предложена елгдуюпш гпяотезз образовмам перенапряжений на оболочке кабеля без ыеталлопокрога. При гаатившш тока мотам через высоковольтный зяземлптелъ в округкагащем грунтг существует электргггеское поле, потенциал которого <р кгк функция цшицдрнческой радкзлынзй координаты г изображен па рис. 2а,

б)

и»., { ~~—-—.__^ Уровень импульсной стойкости

п 1 1 пзолящт кабеля

!г Аг —г- г

I I

Рнг. 2 Пркшая еЗрмсваэаа греютога ссрС!ншрет«ва га гаодщвя ю$ел« бет мегаллощжро»».

С другой стороны, часть тока молнии неизбежно ответвляется в шиш кабеля через сработавшие разрядники. Распределение потенциала электрического подя в жиле кабеля по мере удаления точки с потенциалом от заземлителя является линейным, как показано на том же рисунке.

Очевидно, что на оболочке кабеля будет иметь место напряжение, равное разности потенциалов в жиле и грунте. Это напряжение изображено на рис. 26.

Kai; видно из рис. 26, может возникнуть ситуация, когда напряжение на изоляции кабеля превысит уровень ее импульсной стойкости для некоторой области Ar. При этом оболочка кабеля может оказаться пробитой (в одном или нескольких местах).

Для определения уропня импульсной стойкости изоляции кабеля был проведен эксперимент с использованием генератора импульсных токов и напряжений. Получено, что для кабеля типа СБПу этот уровень составляет примерно 170

Изложенное выше будем рассматривать как общую рабочую гипотезу о причине грозовые поражений изоляции табелей без металлопокрова. Однако модель, построенная иа этой гипотезе, является весьма упрощенной, так как кг учитывает образования искровой зоны вблизи заземлителя при больших токах.

Существует влияние величины тока, стекающего с заземлителя, на его сопротивление. При определенном значении тока напряженность поля вблизи заземлителя возрастает до критического значения, при котором возникает электрический пробой грунта, развивающийся в виде разветвленных проводящих каналов. Эта каналы шунтируют участки земли, прилегающие к электроду, в результате чего размеры электродг-заземлягеля как бы увеличиваются. Вследствие этого сопротивление заземления уменьшается, причем тем сильнее, чем больше величина тока, стекающего с заземлителя. Будем называть область грунта, в которой напряженность электрического поля превышает критическую величину Екр, искровой зоной. Поставим задачу разработки математической моде-пи образования напряжения между -/лигой кабеля, расположенного радиалько отеэситслько заземлителя, и землей с учетом образования искровой зоны. Пра этом будем полагать, что удельное сопротивление грунта с области искровой зоны равно пухло.

Математическая модель процесса строилась по следующей схеме. Дифференцируя потенциал электрического поля вертикального стержневого заземлителя вблизи поверхности земли, определяем зависимость напряженности папа от радиальной координаты. Граница искровой зоны определяется уравнением:

Исходя га уравнения (1) и предположения о постоянстве потенциала в области искровой зоны, находим шпсресумдее нас распределение потенциала поля вокруг заземлителя. Используя теперь предположение о линейности электрического потенциала в жиле кабеля, получаем окончательный результат для напряжении между жилой кабеля и землей ках разность штанщкшов кабеля н

кВ.

rpyirra в соответствующих точках. Полученный результат, учитывающий искро-образованне, может быть представлен в формальном виде следующим обраюм;

Vx-,=f(l,EKp,p.l,L), (2)

где р - удельное сопротивление грунта;

/ - длина заземлите ля;

L - длина кабеля;

1 - амплитуда тока молниевого импульса;

U- напряжение между жилой и грунтом (из оболочке кабеля).

Формула (2) является математической моделью грозового перенапряжения в кабеле с учетом образования искровой зоны п решает задачу о налряжетш ашга-земля вдоль кабеля.

Следует иметь в виду, что задача решалась для кабеля, залегающего на глубине, много меньшей длины заземяителя. Реально кабель залегает на глу бине порядка 20.. .30% от длины зазешштеля. Тем не менее приведенный расчет остается в силе, так как поправки в этом случае ire велихи, что связано со слабым отклонением от вертикали плоскостей, касательных к эквипотенциальным поверхностям вблизи поверхности земли.

При вычислении напряжения меяаду кабелем и грунтом основной проблемой является определите электрического поля в грунте, возбуждаемого током молнии. Поскольку ргссматрквзется вертикальный стержневой заземлитель, то естественно считать, что искровая зона «шметрнчиа относительно его осн. Полагая удельное conpoTiianeirae грунта я области искровой зоны равным нулю, приходим к задаче об определении потенциала электрического поля вне искровой зоны. В качестве граничного условия будем использовать условие постоянства потенциала ira поверхности искровой зоны. Для определения потенциала электрического поля ср о грунте вне области искровой зоны находим решение уравнения Лапласа с указанным грзшгчкым условием: f Дф = 0;

где s - поверхность искровой зоны.

Для однозначного определешм потенциала ф принимаем потенциал на бсскопечности равным нулю. Из приведенного выше механизма формирования искровой зоны следует, что ее поверхность совпадает с эюиаградиеитарной поверхностью, соответствующей величине напряженности электрического поля Erp. Сложность решения уравнения (1) вытекает нз того обстоятельства, что эквипотенциальные поверхности совпадают с эквнградаентгрньаш только для полусферического заземлите ля. Однако для случая однородных грунтов при изучении поля вблизи поверхности земли будем пренебрегать этнм различием.

Производим замещение эквиградкектарней поверхности на некоторую подходицую эквипотенциальную. Тогда при рассмотрешш стержневого заземяителя (замещаемого полуэллиптичеишы), решение уравнения (1) вблизи поверхности земли получает следующий вид:

-iO-

9>(r) = V>0

ln[(Vl + (r7)2+l)/(Vl + (r/)2-l))

(4)

где (рй - потенциал электрического пол* в точке поверхности земли, удаленной на расстояние г'от оси электрода, / - длина заземлктеля.

Приближенную границу искровой тоны по поверхности грунта определим из уравнения, полученного приравниванием производной функции <р(г) величи-

не 1\р.

2<Ро'о

(5)

Ar\r +1

где Л = 1п^1 + (г'/)2 +¡]J¡Jl + {r4)2 -l)].

Если теперь о качестве г' отятъ радиус закы.игтеля гр ц учесть, что г0 ■: < I, то получим:

Л * 2 ln[(jH¡2/ r0f + lj Д^1+(2/г0)2 - l]j (6)

Потенциал связан с текущим через заземлит ель током / соотношени-

Po-J^Ь,

2/

(7)

где р — удельное сопротивление грунта.

Решая уравнение (5) относительно г с учетом (6) и (7), получаем выражение для радиуса искровой зоны гз (вдоль поверхности згыли):

+ 4« -I

(8)

где В = -

Р/

2лI К

*р

Учитывая (5) и (6), получаем окончательно из формулы (1) потенциал электрического поля в груше с учетом искровой зоны:

- и -

V(r) =

U0 при г < f ;

lnp + (r;/)2 +l) /(Vl-M2 -l))

U

o (r

(n

при r>r

(9)

где

0 4я7

(я^дя^ч

потешшал в

пределах искровой зоны.

Как было упомянуто ранее, распределешю потенциала вдоль жил кабеля <р ж предполагается линейным:

<р„(г)-аг±р, (10)

где

Для определения констант аир используем условия:

L — дгашз кабеля. Таим образом, имеем:

(И)

(12)

\а = (Ч>(1)-и0)И. '

Тогда для определенна напряжения на изоляции кабеля (ме;яду жилой и грунтом) и ^ вычтем (9) из (10); получим:

и* - ' ((^ -ио)'1) 'г+и0 ~ ^г) (13)

По разргботатюй модели была создана программа для ПЭВМ. Анализ результатов расчетов привел к следующииг выводам. При наличии искровой зоны вокруг вертикального стержиезого заземлителл зависимость максимума напря-

етгя U

от тока мол:гтм не только нелинейна, ио и в определенных усло-

виях. (в частности, при повышении удельного сопроткзлешм грунта и повышении тока могапш) имеет экстремум. Примером тому может служить семейство графиков, приведеишдх на рис. 4.

С помощью разработанной модели была ргссмотрека возмо:кность управ-леиня величиной максимального перепапрязкешм на изоляции кабеля посредством изменения длины заземягтеля. Анаша вычислений показал, что при тех ¡качениях параметров модели, при которых напряжение на оболочхе достигает опасной величины (порядка 170 кВ), возможность уменьшения уровня напряжения на оболочке посредством увеличения дягасы ззземлзггеля оказывается достаточно зффехтпзнок для грунтов /7^5200 Ом-м.

»0 .----- ^ — .

too ^ -C4

-------- -

k • w ~—

-1U0 / - p=IOO Omm

\ ...... p=500 Омы

-loe --- p=1000 ---- p=4000 Omm Omm

а » я я т я

Рве 4 Расчетные шлчеюи капрсксккя иеж^ жалой я 1г>осй Г/^ upa сэсфюищх параметрах чахла ¿„-ПО кВ/ы. ¿-J0 м./-2 и. / - 20 «А.

Результаты имитационного моделирования показали, что чем выше удельное сопротивление грунта, тем больше экстремальная величина перенапряжения. Данный вывод согласуется с результатами наблюдений поражений изоляции кабелей на дистанциях сигнализации и связи Октябрьской железной дороги. Так, на дистанциях, имеющих на ряде участков скальные грунты, грозовые поражения происходят чаше, чем на дистанциях с болотистыми грунтами. Эффект естественного ограничения напряжений объясняется нелинейным снижением сопротивления заземлителя при расширении искровой зоны вокруг вертикального электрода.

Следует отмстить весьма важное обстоятельство, связанное с размером искровой зоны вокруг заземлителя. Как показали проведенные по предложенной модели расчеты, размер искровой зоны вдоль поверхности грунта зачастую составляет несколько метров, т. е. сопоставим с длиной заземлителя. Это означает, что образование искровой зоны приводит к снижению сопротивления заземления, причем это уменьшение тем слабее зависит от длины заземлителя, чем больше размер искровой зоны. В то же время размер искровой зоны тем больше, чем больше удельное сопротивление грунта. Таким образом, становится понятна причина снижения эффективности управления напряжением на изоляции кабеля посредством изменения длины заземлителя для высокоомных грунтов. В совокупности с данными статистики, приведенными в начале главы, приходим к выводу о том, что имеющееся отклонение сопротивлений заземлителей от нормативов не существенно с точки зрения влияния на уровень напряжений на изоляции кабеля.

На многих участках Октябрьской железной дороги грунты неоднородны. Это относится прежде всего к скальным грунтам. Поэтому требуется более широкий анализ импульсных процессов в кабеле с учетом неоднородности грунтов. Реальный неоднородный грунт при расчетах целесообразно заменять либо одно-

родным, либо многослойным неоднородным грунтом. Возможность такой замены обычно определяется исследуемым процессом. Поэтому далее рассмотрим двухслойный грунт.

Под двухслойным грунтом будем понимать структуру с верхним слоем постоянной толщины, при этом слои будем считать однородными по электрическим характеристикам. Для грунтов, имеющих такую структуру, во второй главе была разработана математическая модель образования грозового перенапряжения на 'изоляции кабеля с учетом процессов искрообразования. При создании модели принималось, что заземлитель пересекает границу раздела слоев. Этот случай йаиболее типичен на практике.

К^ак и в случае однородного грунта, в качестве поверхности искровой зоны выбиралась некоторая эквипотенциальная поверхность электрического поля заземлите ля. Однако, в отличие от предыдущего случая, вместо поля реального заземлителя рассматривалось поле, создаваемое двумя лилейными источниками тока с плотностями ^ ( в верхнем слое) и ^ ( в нижнем слое), имеющими суммарную длину, равную длине заземлителя. Используя уравнение (1), определяющее границу искровой зоны, находим величины ^ и Поскольку эти величины полностью определяют поле в грунте, то задача определения потенциала электрического поля в грунте решена. Для определения потенциала на изоляции кабеля необходимо, как и в случае однородного грунта, вычесть га потенциала жилы потенциал в соответствующей точке грунта. При этом было учтено, что величина потенциала заземлителя в точках грунта, удаленных от заземлителя на расстояние длины кабеля, может составлять существенную часть потенциала в пределах искровой зоны.

С целью выполнения расчетов была составлена программа для ПЭВМ. Следует отметить приближенность вычисляемого по полученным формулам напряжения на изоляции кабеля в области искровой зоны при малых ее размерах. Это связано в первую очередь с удаленностью заземлителя от точки вкода кабеля в землю.

Обобщая данные расчетов, неясно сделать вывод о том, что короткие заземлите.™ недопустимы в системах электропитания автоблокировки, поскольку могут быть причиной пробоя изоляции питающего кабеля. Однако для скальных грунтов длинные вертикальные заземлите ли трудны для установки. Вероятно, именно поэтому- поражение изоляции кабелей на скальных грунтах наблюдается более часто. Рассмотренные результаты исследований показывают, что искровая зона вокруг вертикального заземлителя существенно влияет на уровень напряжения на изоляции кабеля. Следует далее отметить, что в грунтах с хорошей проводимостью возникает гораздо меньшая искровая зона, чем в грунтах с плохой проводимостью, в которых возникает риск получить пробой изоляции на границе искровой зоны. Изменение длины вертикального заземлителя с 2 м до 3 м даже для неоднородного грунта мало влияет на размер искровой зоны. Также незначительно влияние на этот параметр толпншы верхнего слоя грунта. Исследование влияния глубины закладки кабеля иа величину переиапргкеши показывает, что им можно пренебречь в большом диапазоне сочетаияй удельных сопротивлений слоев грунга.

Разработанныс во второй главе модели позволили сделать вывод о том, что в скальных грунтах и грунтах с большим удельным сопротивлением увеличение длины заземлите ля не позволяет эффективно управлять уровнем напряжения на изоляции кабеля. Поэтому следует осуществлять поиск решения задачи снижения риска пробоя изоляции в направлении повышения грозостойкости кабелей.

В третьей главе получает дальнейшее развитие мысль, высказанная во второй главы, о необходимости разработки методов улучшения защиты самого кабеля от возможных молниевых пробоев.

В частности, исследована возможность гидрофобного восстановления изоляции кабеля в местах пробоя от проникновения влаги из окружающего грунта. В качестве средства восстановления изоляции предлагается использовать гидрофобный состав, разработанный научно-исследовательскими институтами связи и синтетического каучука. Этот состав является основным компонентом в технологии восстановления замокших кабелей с полиэтиленовой изоляцией и оболочкой, которая позволяет ремонтировать кабели связи, проложенные в грунте.

Свойствз заполнителя позволяют надеяться на эффективность его применения для «самозалечивания» кабелей электропитания, пораженных молниевыми разрядами. Однако, несмотря на то, что этот наполнитель положительно зарекомендовал себя в применении к ремонту кабелей связи, его пригодность к восстановлен!«) пробитых молниевыми перенапряжениями кабелей априори не ясна. Для изучения вопроса автором диссертационной работы было проведено экспериментальное исследование. Анализ полученных результатов показал, что гидрофобизироваиные и негидрофобизированные образцы кабелей при замока-1ша через отверстия пробоя мало чем отличаются. Просушка кабелей КГЗ в течение 3-х месяцев, а затем повторное погружение их в водонасыщенный грунт, показало несколько лучшие результаты, однахо говорить о восстановлении изоляции гидрофобным составом вряд ли можно.

Обобщая результаты исследования эффективности восстановления кабелей электропитании с полготиленоаой изоляцией посредством гидрофобязацни, можно сделать вывод о неэффективности гидрофобного состава для защиты кабеля в случае электрического пробоя изоляции. Причиной этого является то обстоятельство, что пробой происходит по 1гратча;":шему расстояшпо между жилой и землей, а это как раз то место, где изоляция жилы тесно прилегает к изоляции кабеля, куда гидрофобный состав не проникает при закачке. Поэтому гидрофобная защита оказывается неэффективной.

В четвертой главе диссертационной работы рассмотрен анализ причин высокого потока отказов приборов грозозащиты в устройствах электропитания на примере сигнальной точки автоблокировки одной из систем железнодорожной автоматики. Был сделан вывод, что корнем проблем является отсутствие учета работы элементов грозозащиты в едином параметрическом пространстве. Следствием такого положения является выход этих приборов ю строя. Таким образом, главной задачей четвертой главы станошгтся разработка концепции грозозащиты на основе единого параметрического пространства грозозащитных, средств и молниевых процессов.

Аиализ грозозащиты снгяалыюй точки показал (см. рис. 1), что при ударе молнии в провода происходит непреднамеренная канализация тока через жилы кабеля. Из практики известно, что случаи разрушения током молнии жил кабеля очень редки, н с вероятностью таких событий можно не считаться. Это означает, что для обеспечения тепловой совместимости элементов устройств электропитания в качестве норматива для тепловой стойкости разрядника следует выбирать аналогичную характеристику жилы кабеля. Для определения характеристик тепловой стойкости проводников разработана математическая модель процесса нагрева металлического проводника импульсным током.

Модель построена следующим образом. Для элемента длины проводника рассматривалось уравнение теплового баланса. После ряда преобразований получено дифференциальное уравнение для температуры проводника. Оно имеет следующий вид:

где р - удельное сопротивление материала проводника, с - удельная теплоемкость материала, £ - плотность материала, Л' - площадь поперечного сечения проводника, ¡(4 - импульс тока, 7- температура проводника.

Для решения этого уравнения задается дополнительно начхтьное условие, а именно, начальная температура проводника (температура окружающей среда). Решая уравнение (14), находим температуру жилы 7', как функцию от времени I. Температуру проводника по окончании импульса тока получаем, устремляя / к бесконечности. Приравнивая затем эту температуру температуре плавления материала проводника, получаем связь параметров импульса тока для случая расплавления проводника.

При решении дифференциального уравнения была учтена зависимость удельного сопротивления материала проводника от температуры.

а - температурный коэффициент сопротивления материала проводника.

Функция (15) достаточно точно отражает зависимость удельного сопротивления а широком диапазоне температур вплоть до температуры плавления материала. Проведенные вычисления показывают, что в случае импульса тока с формой, отличной от прямоугольной, разрушение проводника не определяется исключительно джоулевым интегралом импульса. Разрушение происходит при определенных комбинациях джоулевого интеграла и каких-либо двух независимых от нею характеристиках импульса, например, длительностей фронта и самого импульса Следует отметить влияние формы импульса на эти комбинации. Однако, было замечено, что влияние джоулевого интеграла импульсз тока аа процесс рафушения проводника является определяющим. Исходя из этого была

(14)

(15)

где р0 - удельное сопротивление проводника при Т~То,

получена оценка джоулевого интеграла импульса тока А. Эта оценка получается из решения уравнения:

[в(\-аТ0)Аех1{-аВА)+Т0уТт. (16)

где

Тт — температура плавления материала проводника.

Нужно отметить, что другая характеристика материала проводника — удельная теплоемкость — также зависит от температуры по закону, аналогичному (15). Однако температурный коэффициент удельной теплоемкости во много раз меньше а. Так, для меди это отношение составляет около 10. Поэтому в вышеприведенных формулах зависимость удельной теплоемкости от температуры не учитывается, а в формулу (16) подставляется средняя величина в диапазоне температур от 20°С до температуры плавления.

Проводя расчеты по формуле (16), для медной жилы кабеля СБПу диаметром 1 мм получаем джоулев интеграл разрушения порядка 59000 А2-с. Примерно та же величина была получена в ходе экспериментов с использованием мощного генератора импульсного тока и напряжения. В качестве объекта испытания была взята медная жила в полиэтиленовой изоляции кабеля СБПу диаметром 1 мм. В процессе испытаний получено, что при величине джоулевого интеграла импульса 65050 А2-с происходило разрушение проводника, причем процесс разрушения происходил быстро и внешне напоминал взрыв. Сравнивая теоретическое значение величины теплового разрушения джоулевого интеграла с полученным в эксперименте, следует признать их хорошее соответствие и считать разработанную методику расчета тепловой стойкости проводников достоверной.

Построенная модель тепловых расчетов позволяет исследовать устойчивость системы электропитания по отношению к молниевым импульсам тока и установить критерий выборз параметров разрядников, защищающих аппаратуру железнодорожной автоматики от молниевых воздействий. При каиалюации тока молнии по жилам кабеля происходит срабатывание разрядников с последующим прохождением через них тоет к рельсам. Очевидным параметром, которым руководствуются при выборе разрядника, является напряжение его срабатывания. В качестве другого параметра, характеризующего стойкость разрядника к энергии проходящего через него импульса тока, следует рассматривать джоулев интеграл (Ад} при котором происходит разрушение разрядника. Как было указано в начале главы, для обеспечения тепловой совместимости элементов устройств электрогпгшшя необходимо использовать разрядник с характеристикой Ар не меньшей величины дкоулева иитеграла разрушения жилы кабеля (Аж). Указанный критерий основан на знании величины джоулевого интеграла разрушения жилы и беля током молшда, которая вычислена по рассмотренной выше верифицированной модели тепловой стойкости проводника, а в практике эксплуатации систем железнодорожной автоматики наблюдается с пренебрежимо малой вероятностью. *

Факт непреднамеренной канализации тока молнии через провода кабельных лишш и предложешшш выше критерий тепловой совместимости элементов системы электропитания могут служить основой для создания новой концепции

грозозащиты техшетеских средств автоматики, в которой определяющим моментом является преднамеренная канализация токов молний.

Схема, реализующая предложенную концепцию преднамеренной канализации тока молнии по жнлам питающего кабеля, приведена в общем пнде на рис. 4. Особенностью схемы по отношенио к типовой является установка на трансформаторном конце питающего кабеля порогового блока ПБ, соединенного од-!шм гызодои с высоковольтным здземлнтелем, другими выводами — с проводами, подключенными к покшкающему трансформатору ОМ, с запасными жилами, а также с проводами, расположенными вблизи и параллельно питающей линии. Аналогичный пороговый блок устанавливается на нагрузочном конце питающей яшни н подклгочаегся к рельсовой линии.

Пороговые блоки должны обладать пропускной способностью по тогу, исключающей тепловое повреждение защищаемых элементов и обеспечивать срез избыточного напряжения до уровня, допустимого нагрузкой, а также изоляцией цепей нагрузки, кабеля н трансформатора. Таким образом, единое параметрическое пространство, объединяющее характеристики тока молнии, элементов шгганпя и нагрузки пороговых блоков, должно включать в себя величину среза избыточного напряжения и рассмотренную выше тепловую характеристику (докоулев интеграл).

Pis. 4 Предложенная схема грозозащиты сгхяз.'аяоИ точки гято5логаро»ки с вргдвамсрснпса каналии-

цяеЯтокииодшЛ

В работе предложено реализовать пороговые блоки на трехэлектродных ыетадлокерамических разрядниках Р-бЗ н P-6-î. Экспериме1гтальные исследования показали, «гго джоулев шгтегрз разрушения разрядшпеа Р-63 составляет 197000 AJ-c, а разрядника Р-64 —155000 AJ-c. Сравнивая указашпде величины с пормапшом 65050 Аг-с (экспернмяггальмя велнчкиа разрушешш ;кк.\ы кабеля типа СБПу), могяго сделать вывод о хорошей совместимости этих элементов с токоы ыошпп! в 5ЕИЯЗХ кабеля по джоулеву шпегралу. Для сразнетм стокт ука-

зать, что аналогичный параметр разрядника РВНШ-250 составляет примерно 2500 А2-с, откуда следует их низкая эксплуатационная надежность.

Для проверки в комплексном виде предложенной концепции грозозащиты путем преднамеренной канализации тока молнии через жаты кабеля были пред-прикяты экспериментальные исследования. Их цель заключалась в проверке практической реализуемости предложенной концепции. Задачей эксперимента являлась регистрация уровней среза избыточного напряжения ка нагрузке релейного шкафа "при прохождении через кабель молниевых импульсов тока, по амплитуде и джоуле су интегралу не превышают!« уровней взрыва наш кабеля. При этом хаты кабеля находились в рабочем режиме под напряжением 242 В, подаваемого от трансформатора ОМ.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы. Сопровождающие работу разрядника при его включении и восстановлении импульсные процессы незначительно (на 25...30%) превышают амплитудное значение рабочего напряжения. Средняя асинхронность для разрядников Р-63 составила около 0,17 икс, при этом уровень среза напряжения не превысил в худшем случае 0,5 кВ. В процессе экспериментов повреждений элементов нагрузи!, изо-ляшш трансформатора ОМ, кабеля СБПу и подключенной к вводу питания аппаратуры не наблюдалось. Эксперименты, проведенные с разрядниками Р-64, дали практически аналогичные с рассмотренными выше результаты.

Здесь х;е возникает вопрос об экономической выгоде, получаемой при замене существующих четырех элементов грозозащиты (пробивного предохранителя ПП-ЗА, выравнивателя ВОЦШ-220 и двух разрядников РВНШ-250), например, ка два металлокераыических типа Р-64. Поскольку цены ка металлокерами-ческне разрядники могут колебаться в широком диапазоне, возникла задача определения условной цены защитного прибора на базе разрядника Р-64, при которой внедрение защитного прибора еще экономически целесообразно. Знаете условной цены существенно влияет на решение вопроса о широком внедрении нового метода грозозащиты на сети железных дорог России, а также позволяет рассматривать н сцещшать варианты прокззодства грозозащитных приборов на предприятиях РФ. Задача и такой постановке снимает затруднения в оценке экономической эффективности нового решешш проблемы грозозащита при неопределенности затрат на новые защитные приборы. В рамках поставленной задачи определялась стоимость новых защитных приборов иа базе разрядников Р-64 в виде функции двух переменных: частоты поражения объекта молниями и величины предполагаемого годового экономического эффекта грозозащиты. Было подучено, что применение нового разрядника является эффективным даже при значительной его цене. Так, например, при желания Октябрьской железной дорогой получить годовой экономический эффект триста млн. руб. при 20 случаях поражения объектов условная нормативная цена нового грозозащитного прибора может достигать стоимости охоло трех базовых грозозащитных приборов (РВНШ-250).

В пятой главе проводится анализ причин возникновения пожароопасных ситуаций и системах железнодорожной автоматики. Отмечается, что особенностью анализа причин пожаров является то, что их источник как правило, кеиз-ьгете;] п, поэтому, о псы ысгено говорить только в терминах вероятностей, ум-

зывзя событие погкара с замеченными в процессе расследования отключениями электрооборудования либо с какими-то иными связанными событиями. Из множества возможных причин пожаров рассмотрены только тс из них, которые имеют корт» в несовершенстве, с точки зрения пожаробезопасности, средств грозозащиты электротехнического оборудования. Проведенный анализ типовой схемы грозозащиты сигнальной точки показал, что главными причинами возникновения пожароопасных ситуаций являются дрейф пороговых напряжений варисторных ограничителей и образование контуров тока. Особым случаем является возникновение ситуаций однофазного замыхания продольных линий электроснабжения на землю. Возникающие при этом токи в жилах кабелей электропитания могут служить причиной плавления изоляции и приводить тем самым к короткому замыканию жил. Таким образом, возникает задача об опенке тепловой стойкости жил кабеля электропитания к длительным токам. Постановка тахон зздачи была вызвана тем обстоятельством, что а практике эксплуатации систем железнодорожной автоматики имели место случаи пожаров, гак правило, возникающих спустя некоторое время после прохождения гроз. Поэтому была рассмотрена гипотеза о нагреве жил кабеля энергией стационарных источников сети питания, подключенных к жилам непреднамеренно в результате разрушения либо изоляции, либо средств грозозащиты. В данной главе работы проводится изучение следствий, получаемых в результате использования этой гипотезы.

Решение задачи искалось исходя из следующих предполо;ггш!Й:

1. Расчетный элемент (¡кила кабеля) представляет собой проводник бесконечной длины, находящийся на глубине а в среде без конвекции. Прзкпгческм это условие сводится к тому, что I а< < I, где / длина реального кабеля.

2. Коэффициент теплопроводности грунта к л его теплоемкость с не ззвисят от температуры. Это условие накладывает ограничение на интервал температур жилы, поскольку с ростом температуры около зкияы возникают процессы переноса вещества (воды). Последнее требует особого изучения п здесь ис рассматривается.

С учетом упомянутых ограничений уравнение теплопереносз для среды без конвекции с источником тепловой энергии, инеюсами плотность мощности ц, получает вид:

1г{г,1) = —ЛТ(г,1) + ^~. (17)

¿1 ср ср

где 7'( г, /) - температура в точке г в момент времени ?; к • коэффициент теплопроводности грунта; с - удельная теплоемкость грунта; р - плотность грунта

Обозначим решение исходной задачи символом Г. Тогда, полагая, что на границе раздела воздух-земля выполняется условие (7),= 0 для искомой задачи (жилы в грунте) имеем:

Решение уравнения (17) с указанными начальными условиями дается интегралом:

ЩП)

к

где г = —. ср

(Ь>' - элемент объема;

с - удельное сопротивление материала жилы; У — плотность текущего по жиле тока;

(19)

2 2 2 (*'-*) Ну'-у) -Кг'-г)

, 4(г--г) (о[?,т,г', г'] = ——-е . (20)

8тг 2(Г'-Г)32

Вводим цилиндрическую систему координат (г, г, <р) с осью 2, направленной вдоль оси жилы, и вычисляем температуру жили:

^и^О.гНГ^г). (21)

Вводам дополнительно вспомогательные величины 2о

/и = -

(22) (22а)

При/?- 0,1 из формулы (19) с учетом (20) получаем:

г) =

2,77 + 1п

/ \ 2к

+ 1п(1)

4 2 2 2 аго

4к

(23)

Оценим численно велн'лну Д Принимая для кабеля СБПу с медными жилами г0 - 0,05 см, р- 2 г/см1, к = (2... 10)-10° Вт/см-град и с = 2 Дж/г-град. получим:

= (25)

■ft

где t - время, с.

Так:ai образом получаем, что виргзгегяе (24) спргсгдшяо прп />10с. Поскольку прп срамяггелыю малых гргменах fim3>>¡, то T¡(2aj) а0, что означает Г « Ti(O.t).

Оцешм Ергмл установления стгцяотрнэго сссто.ипм. При /-> и имеем:

.2 2

Um T(t) - lim T. (О,/) - T. (2a,f) = ln(m \ + Л. (26)

í->=o . /->со 1 í Ak \ \ ) )

Это гпргстепие отлетается ка величину j'^cr rj/4k от пиражсши, полуденного при ргшешш задачи о стзкпспзрпой температуре алгол. Легко проверять, что эта сеяг-пша разпоста сеть разность температур в центре я на границе (яшьс) га сещесгса rpyinu Вичптгя fcrn2/4k in (24), получаем приближение фузпасы гамснепкя температуры по времени, для реальной металгаггеской жгаш:

(

2 к

3,77 + M 2 I \5сРгЪ.

+ in(t)

г г

i

(27)

Время устаяотягппя 1ya.t изЯден in уразпяш :

2 2 (2 \l cxrñ

В зггого получаем:

—-—г «0,43. (29)

Асра'

Подставляя в (29) параметры с, pu а, определяем, что f>m составляет от сдашяц до десятков сутск. Исхода m этого, a îbm у-'игп.пал, что при срав:к:-тсяьио бэ.ташпх токах уетвяошгвшаяся температура наши мозсст сущсствешю ¿ревькггть допустимый уроае:;:-, &«гаак> дшжяяу процесса пагргсашм жилы рассчитывать ко формуле (27).

Изучение тегшоик моделей показало, что дот хашьт к:-беля типа СБПу наступает тсллогос разруш stare ¡constatai при токс'поряда 10-15 А, причем процесс нагревания мсяст продолжотьед cyiiai и более. Это н мотет служить источников иожгфа. Такая пиппшга тега вполне го'ллотла при однофазном за-иыкииш лтпэт BJI ПЭ и при пксогом сопротивления заземления. Следует от-мспггь несовместимость гпрагстрог гразойих нцпульсоз и грозозащитных средств по irpnrcpino даоулгзг шггярзла как гдгкг/ю npirmiiy возникновения пепгфоояаашх 'ситуаций при одцофазиоч ззмывдпш на земно. Дсйспкггедьно, вследствие огсутстслл созксстшоеш происходит оплазлекк; эдггетродов раз-рвдшпсса и аозппкялт гальваютсспиг сшзг. крозодов с землей, создавая предпосылки гз.т.теэдм тс;:а по -игле ir.Sww.

Попадание о результате грозовых нарушений изоляции трансформаторов ОМ токов ВЛ 10 кВ в цегш низковольтного питания устройств автоматики не сразу приводит к пожароопасным ситуациям: время нагрева проводов, как было показано, может составлять до нескольких десяткоз суток. В практике такой разрыв между причиной (гроза) и следствием (пожар) дезориентирует в правильном определении причин пожаров.

В качестве рекомендаций по уменьшению числа пожаров предлагается производить установку грозозащитных средств, совместимых с характеристиками грозовых воздействий (например, использовать металлокерамическне разрядники), а также совершенствовать фидерную защиту ВЛ ПЭ 10 кВ.

Заключение

В процессе разработки н исследовании сформулированных цели и задач о диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Установлен механизм образования опасных грозовых перенапряжений на изоляции кабеля без метвллопокрова при стекалии тока молнии с вгртмалыюго стержневого заземлител.1, подтвержденная наблюдаемыми в эксплуататлш случаями грозовых поражений кабелей этого вида.

2. Разработана математическая модель грозовых перенапряжешш на изоляции кабелей без металлопокрова с учётом образокии'л искровой зоны вокруг стержневого заземлителя. Вычислительные э:хпертае1ггы на этой модели позволили установить следующее:

- благодаря искровой зоне сопротивление грозозащитных заземлитслей существенно уменьшается, что не учитывается при измерении сопротивлений грозозащитных зазеклятелей существующими методами;

- грозовые перекаяряжешк на шолящш кабеля без ыеталлопокрова превышают экспернагеэтаяшо измеренную гаотульсную прочность, нзоляшш (170 кВ для кабеля СБПу) в широком диапазоне вариации параметров модели (электрические хпрактсриегкш грунта, амплитуда импульса тога молнии, длшм зазеьиапеля и кабеля);

- для грунтов с удельным сопротивлением р £ 200 Ом-м перенапряжения на изоляции 1мбеля без ыеталлопокроса ашжается при увеличешш длины вертикального стержневого заземлителя; это свойство позволяет в указанных груггтах управлять уровнем риска грозового поражения кабелей.

3. Экспериментально исследована эффективность гидрофобного восстановления табелей. Установлено, что пвдрофоб|сзцня кабелей с полиэтиленовой изоляцией практически пе влияет ¡¡а их грозостоГжоеть.

4. Определено, что причиной юшеой грозостойзюсга устройств электропиташш п системах железнодорожной автоматики с типовыми средствами грозозащиты является 11гпреднаыерсш!ая. канализация тока молнии через жилы питающего кабеля и, как следствие, несовместимость характеристик средств грозозащиты с характеристиками импульсов тока молнии. В связи с этим предложено рассматривать канализацию тока молшш через жили кабеля как преднамеренный процесс, а в качестве норматива при выборе средств для грозозащиты устройств электропитания систем автоблокировки использовать сели-

чину джоулева интеграла разрушения медной ягилы диаметром 1 мм кабеля СБГТу, основываясь на низкой вероятности наблюденных случаев разругаення >хнл в эксплуатируемых системах.

5. Теоретически получено и экспериментально подтверждено численное значение дасоулева интеграла разрушения исилы кабеля типа СБПу, которое составило 65 050 А:-с (эта величина принята за норматив для выбора грозозащитных средств). В то гее время экспериментальные исследования характеристик применяемых в системах электропитания ОКАТ грозозащитных средств показали, что предельная величина джоулева ннтеграта разрушения у разрядников PBHUI-250 и выравнивателей ВОЦ-220 не превысила 2 500 А3-с, что значительно меньше норматива (65 050 А'-с) н объясняет причину их массового выхода из строя а грозовые периоды.

6. Предложено взамен разрядников РВНШ-250 н выраинизателей В01Д-220 использовать металлокерамическне разрядники Р-63 п Р-64, предельное значение дзхоулсвэ интеграла разрушения которых составляет не менее 130 000 А2 с, что в два раза превышает норматив и является основой высокой экс-штуатанионной надежности этих разрядннкоз. Выполнен расчет экономической эффективности применения указанных разрядников. Показана высокая их рентабельность. Петербурге кип хчектротеяннчесакм ззеодом МПС выпущены экспериме1ггальные образцы ноеых грозозащитных приборов га базе разрядников Р-63 и Р-64.

7. Установлено, что грозовые разрушения изоляции.в системе электропитания могут приводить к пожароопасным ситуациям. Для одапги покароспаспостн разработана ыодель тепловой стойкости гаи кг беля х длительным токам. Выполненные с помощью этой модели расчеты показали, что время нагрева провода до опасной температуры колеблется в широких пределах, что затрудняет при определении причин пожаров их умзгу с грозог&зин воздействиями.

Основнос содержание диссертации полностью отражено в елгдуюпрве

публикациях:

1. Костромппов А. М., Костроминов А. А. Проблемы грозоустсйчиости кабелей электропитания И Сб. науч. докл. Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и элгетрокапигшай экологии ЭМС-95, Санкт-Петербург, 26-30 июня 1995 г. — СПб.: СПГЭУ, 1995. — с. 203-204.

2. Костроминов А. М., Костромшюа А. А. Оценка грозе стойкости плавких предохранителей И Там же, с. 201-202.

3. Костроминов А. М., Костроминов А. А., Ермолов А. 10. Вопросы грозозди?*-ты элекгропитающих устройств / Электромагнитная совместимость технических средств // Материалы третьей иауч.-техи. конф., г. С.-Петербург, 5-10 сентября 1994 г. — СПб.: ВИСИ, 1994. — с. 26-28.

4. Костроминов А. М, Костроминов А. А. Тепловая коделъ жилы кабеля п грунте / Электроыагшггиая совместимость техкмеских средств и биологических объектов Н Материалы четвертой российской науч.-техн. конф., г. С.Петербург, 18-20 сентября 1996 г. — СПб.: ВИСИ. 1996. — с. 162-165.

5. Костроминов А. М., Костром-.шос А. А., Костроиинов Ал. А. Экспериментальное исследование сопротивлений заземлений / Там г:е — с. 160-162.

6. Костроминов А. М., Сусоев В. П.. Хоменков А. Н., Хромев В. В., Костроюь ноа А. А. Новые метод и средства грозозащиты устройств С ЦБ // Автоматика, телемеханика н связь.— 1997. — /¿3. — с. 11-14.

7. Громов О. И., Животиков Л. П., Костроминов А. А., Муравьев А. В., Хромов В. В. О грозостойкостн питающих кабелей без метаялопокрова // Сб. пауи. трудов одиннадцатой иауч.-тсхн. конф. на специальную тему. г. С.-Петербург, 3-5 декабря 1994 г. — М.: Минобороны, 1995. — с. 42-14.

8. Костроминов А. А., Костроминов А. М., Костроминов Ал. А. Исследование грозовых перенапряжений в кабеле элекгропиташш II Сб. науч. дзкл. третьего Международного симпозиума по электромагнитной созкесттше-стк и электромагнитной экологии ЭМС-97, Санкт-Петербург, 23-27 юта 1997 г. — СПб.: СПГЭУ, 1997. — с. 320-324.

9. Костроминов А. А., Костромшюа А. М., Костроминов Ал. /V Об экономической эффективности грозозащиты / Там же — с. 324-327.

Ю.Грншенок В. И., Сотников П. П., Кострзмиков А. А. к др. Оценка зффек-пш-ности гидрофобного вссстановлеши изоляции питающих кабелей при ян грозовом поражении / Там яге — с. 342-344.

/ ''

Подписано к печати $■<>/■ Усл. ал. 1,5 Печать офсетная Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16 Тираж 100 экз. Заказ Лз

РТП ПГУНСа С.-Петербург. Московский пр., 9.