автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Исследование электропроводности антисептированной древесины комбинированной изоляции "фарфор-дерево" воздушных линий железных дорог

Самарский институт инженеров железнодорожного транспорта

им.М.Т.Елизарова

На правах рукописи

Паршнев Иван Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ АНТИСЕПТИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ КОМБИНИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ «ФАРФОР-ДЕРЕВО» ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЖЕЛЕЗНЫХ

ДОРОГ

Специальность 05.22.09 - Электрификация железнодорожного

транспорта

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель доктор технических наук профессор В.Н.Яковлев

Самара 1999

Содержание

Введение ..................... 5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ КООРДИНАЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ "ФАРФОР-ДЕРЕВО" ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ .... 16

1.1.Координация комбинированной изоляции "фарфор-дерево" воздушных линий железных дорог .... 16

1.2.Взаимодействие древесины с электромагнитным полем, анализ теоретических исследований электропроводности органических электроизоляционных материалов . ....... 28

1.3.Теория электротеплового пробоя древесины

комбинированной изоляции "фарфор-дерево" ВЛ. . 4 0

1.4.Анализ экспериментальных исследований электропроводности древесины и воздействия высокого напряжения на деревянный узел комбинированной изоляции "фарфор-дерево" ВЛ. . 4 6

1.5.Современные эффективные химические средства защиты и повышение координации изоляции несущих конструкций КС, ВСЛ СЦВ и ПЭ железных дорог.................... 53

Выводы по первой главе.............. 58

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ НЕСУЩИХ И ОПОРНО-ПОДДЕРЖИВАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ............. 61

2.1.Математическая модель влияния условий эксплуатации на температурно-влажностные древесины изоляции «фарфор-дерево» воздушных линий.................... 61

2.2.Математическая модель электропроводности загрязненной и увлажненной комбинированной изоляции "фарфор-дерево" ВЛ ......... 70

Выводы по второй главе .............. 74

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕРЕВЯННОГО

УЗЛА ЛИНЕЙНОЙ ИЗОЛЯЦИИ "ФАРФОР-ДЕРЕВО" ВЛ 7 6

3.1.Методика подготовки образцов древесины для испытания на электропроводность ....... 7 6

3.2.Технология пропитки образцов и изделий ВЛ из древесины новым антисептическим препаратом типа ПЖВ и его физико-химические свойства . . 77

3.3.Экспериментальная процедура измерения больших

сопротивлений. Обработка результатов испытаний 7 9

3.4.Высоковольтная испытательная установка исследования воздействий высокого напряжения на разрушение деревянных конструкций воздушных линий.................... 8 6

3.5.Методика измерения параметров детерминированных процессов при воздействии высокого напряжения на консервированную составом ПЖВ древесину конструкций ВЛ................88

3.6.Методика оценки влияния влагосодержания, загрязнения изоляции на величину токов утечки 92

Выводы по третьей главе..............95

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 97

4.1.Анализ вольт-амперных характеристик натуральной

и консервированной древесины траверс ВЛ . . . 97

4.2.Влияние высокого напряжения на разрушение конструкций воздушных линий ......... 101

4.3.Влагопоглощение древесины сосны, пропитанной составом ПЖВ.................106

4.4.Результаты исследования электрического сопротивления древесины сосны, пропитанной составом ПЖВ.................108

Выводы по четвертой главе ............. 112

ГЛАВА 5. ОБСУЖДЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ . . . 115 5.1.Анализ реакции древесины траверс ВЛ на

воздействие высокого напряжения ....... 115

5.2.Эквивалентное сопротивление деревянной траверсы при наличии увлажненной и загрязненной жидкой

пленки на ее поверхности...........115

5.2.1.Эвристический метод расчета эквивалентного

сопротивления ............... 117

5.2.2.Анализ экспериментальных данных...... 120

5.2.3.Оптимизация параметров эвристической формулы

(89).................... 126

5.3.Оценка возгорания деревянного элемента

комбинированной изоляции мфарфор — дерево". . 127

5.4. Анализ эмпирического выражения (92)...... 129

5.5.Рекомендации и обоснования по внедрению нового пропиточного состава ПЖВ для защиты деревянных элементов ВЛ от био- и огнеразрушения .... 133

Выводы по пятой главе .............. 145

Заключение.................... 146

Библиографический список использованной литературы 14 9

Приложение 1................... 162

Приложение 2................... 164

Введение

Актуальность темы исследований. Ресурсосбережение, как важнейший аспект технической политики МПС, заключающийся в реализации научно обоснованных мер по снижению расходов материалов и изделий на ремонтно-эксплуатационные нужды, приобрело в современных условиях особую актуальность. Конечной целью перехода железнодорожной отрасли на ресурсосберегающие технологии в соответствии с директивными материалами Правительства РФ от 2 января 1995 г. №1087 "О неотложных мерах по энергосбережению топливно-энергетических ресурсов (от 30 апреля 1996 г.№А-4784) является экономия трудовых, топливно-энергетических и материальных ресурсов при улучшении качества содержания и ремонта технических средств, повышение уровня их технического состояния и надежности.

Несущие и опорно-поддерживающие конструкции контактной сети (КС) и воздушных линий напряжением 6-10кВ (цепи СЦБ и ПЭ) , ДПР 27,5 кВ, питающих проводов при системе 2x25 кВ, волноводных проводов, проводов линий напряжением до 1 кВ и др., в основном, состоят из деревянных кронштейнов типа ДО, ДНО, ДНОУ; деревянных траверс типа: ТВО, ТВ, ТСО, ТС; деревянных брусьев типа Б; деревянных опор типа: П-1Ц-Д-С, А-1Ц-Д-С, АУ-1Ц-ЖБ-С и др.

В настоящее время наиболее распространенным пропиточным химическим средством, используемым для биозащиты несущих и опорно-поддерживающих конструкций BJI железнодорожного транспорта, является, в основном, каменноугольное креозотовое масло (КМ) (ГОСТ 2770-74) и, значительно реже, ХМ (ГОСТ 23787.8-80).

Анализ эксплуатации ВЛ в энергосистемах, в системах электроснабжения электрифицированных железных дорог и нетяговых потребителей показывает, что деструкция древесины линий обусловлена биологическими и электрическими воздействиями. Токи утечки способствуют возгоранию и пожарам деревянных элементов воздушных линий, особенно в районах с загрязненной атмосферой.

Самарским институтом инженеров железнодорожного транспорта разработан, апробирован и рекомендован новый дешевый препарат нефтяного шпалопропиточного материала типа ПЖВ. Препарат ПЖВ при комплексном исследовании электроизоляционных свойств и характеристик древесины, пропитанной этим препаратом, в широком диапазоне изменения температуры и влажности среды, воздействия высокого напряжения на деревянный элемент комбинированной изоляции "фарфор-дерево" может способствовать повышению сроков службы деревянных конструкций, повышению координации изоляции ВЛ и КС.

Диссертационная работа представляет собой

теоретическое обобщение и практическое решение важнейшего приоритета энергетической стратегии железнодорожной отрасли, определяемого отраслевой Программой -стимулирование сбережения энергоресурсов за счет проведения ряда технических решений, снижающих потери мощности энергии в системах электроснабжения внедрением новых электроизоляционных материалов и изделий, обеспечивающих достаточно малую вероятность перекрытия наружной изоляции с учетом влияния загрязнения и увлажнения на ее электрическую прочность.

Целью работы является разработка научно-практических основ внедрения в практику электросетевого строительства

новых материалов, совершенствующих координацию изоляции ВЛ и КС и технологический процесс их обслуживания.

Идея работы: расширение применения в электросетевом строительстве древесины - природного электроизоляционного материала, свойство которого возрастает с пропиткой ее эффективными химическими препаратами, увеличивающими био-и огнедеструкцию и, следовательно, срок службы деревянных конструкций ВЛ.

Реализация сформулированной выше цели требует решения ряда задач, основными из которых являются:

• анализ современного состояния координации комбинированной изоляции "фарфор-дерево" воздушных линий железных дорог;

• анализ существующих направлений развития теории электропроводности органических электроизоляционных материалов;

• исследование сложного механизма взаимодействия древесины с электромагнитным полем (ЭМП) в аспекте применения аналитических методов для определения электрических свойств древесины;

• исследование механизма электротеплового пробоя древесины и факторов, влияющих на этот процесс;

• анализ экспериментальных исследований электропроводности древесины и воздействия высокого напряжения переменного тока на деревянный узел комбинированной изоляции "фарфор-дерево";

• анализ отечественных и зарубежных средств химической защиты. Обоснование выбора эффективного пропиточного химического препарата, защищающего древесину от био- и огнедеструкции, повышающего ее электроизоляционные свойства и обеспечивающего ее долговечность;

• разработка математических моделей влияния условий эксплуатации на электропроводность антисептированной составом ПЖВ деревянной части комбинированной изоляции "фарфор-дерево";

• теоретические и экспериментальные исследования электропроводности древесины, пропитанной различными химическими препаратами, применяемые в настоящее время для защиты деревянных элементов ВЛ;

• разработка рекомендаций и предложений по внедрению новых эффективных пропиточных химических защитных препаратов для повышения электроизоляционных свойств древесины ВЛ железных дорог.

Методы исследований: Комплексные экспериментальные исследования воздействия высокого напряжения на разрушение типовых деревянных конструкций ВЛ и КС выполнены на специальной высоковольтной испытательной установке ИОМ-ЗОО/бОО. Экспериментальные исследования электропроводности консервированной древесины сосны проводились с использованием современных

электроизмерительных приборов, специальных электродов и климактермокамеры.

Теоретические исследования электропроводности

древесины проводились путем разработки математических моделей влияния температуры и влажности среды, загрязнения и увлажнения на это свойство твердопористых материалов. Математическое моделирование физического состояния элементов узла "фарфор-дерево" выполнено на ПЭВМ. При обработке экспериментальных данных и оценки их достоверности использованы численные методы, методы оптимизации и математической статистики. В основу теоретического обоснования процесса возгорания деревянных элементов ВЛ, эксплуатирующихся в условиях загрязненной

атмосферы, положена теория тепло- и массобмена в пористых (гетерогенных) средах

Научная новизна и достоверность результатов работы:

1.Разработана математическая модель температурно-влажностного состояния деревянного узла комбинированной изоляции «фарфор-дерево» ВЛ. Учтены факторы влияющие на этот процесс: радиальное направление волокон древесины сосны, воздействие токов утечки и др.

2.Разработана математическая модель электропроводности антисептированной ПЖВ древесины узла комбинированной изоляции "фарфор-дерево" с учетом ее загрязнения, увлажнения и воздействия высокого напряжения.

3.Предложен эвристический метод расчета эквивалентного сопротивления узла комбинированной изоляции "фарфор-дерево" с учетом интенсивности увлажнения и загрязнения его поверхности пылью.

4.Получена оценка возможного возгорания деревянных траверс с учетом толщины жидкой пленки и интенсивности загрязненности пылью поверхности изоляции несущих конструкций ВЛ.

5.Получены аналитические зависимости расчета токов утечки и эквивалентного сопротивления, позволяющие оценить параметры и характеристики комбинированной изоляции "фарфор-дерево", уровень изоляции ВЛ при факторе комплексного увлажнения и загрязненности изолирующих элементов.

6.Впервые получены зависимости электрического сопротивления образцов антисептированной ПЖВ древесины сосны в различных температурно-влажностных режимах и направлениях разрушения волокон. По результатам исследования даны рекомендации и обоснования по пропитке древесины несущих и опорно-поддерживающих конструкций ВЛ

составом ПЖВ. Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью теоретических и

экспериментальных исследований, близостью расчетных и экспериментальных значений параметров и характеристик, полученных в лабораторных условиях.

Практическое значение работы. Экспериментально установлены закономерности изменения электрического сопротивления деревянного узла комбинированной изоляции " фарфор-дерево", пропитанного составом ПЖВ, в широком диапазоне изменения температуры и относительной влажности среды.

Экспериментально установлены закономерности

воздействия высокого напряжения переменного тока на разрушение антисептированной деревянной части

комбинированной изоляции "фарфор-дерево" с учетом увлажнения и загрязненности ее поверхности и изменения высокого напряжения источника в широком диапазоне.

По результатам экспериментальных исследований определена оценка возгорания от токов утечки древесины типовых изделий ВЛ с учетом условий эксплуатации.

Теоретически и экспериментально обоснованы рекомендации по внедрению новой пропиточной жидкости ПЖВ в электросетевое строительство для защиты деревянных несущих и опорно-поддерживающих конструкций ВЛ и КС от био- и огнедеструкции.

Предложены аналитические выражения, позволяющие определять грозоупорность ВЛ, выполнять работы по составлению карт уровней изоляции, повысить координацию изоляции ВЛ железных дорог.

По результатам исследований новый антисептический состав ПЖВ внедрен службой «Э» Куйбышевской железной

и

дороги для защиты деревянных конструкций BJ1 от био- и огнедеструкции.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований использованы: в НИР СамИИТ "Повышение уровня изоляции деревянных конструкций КС и BJ1 внедрением пропиточной жидкости ПЖВ";

в учебном процессе Самарского института инженеров железнодорожного транспорта при изложении дисциплин "Контактная сеть", "Электрические станции, сети и системы", "Электротехнические материалы и техника высоких напряжений", "Сооружение, монтаж и эксплуатация устройств электроснабжения"

Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований докладывались и обсуждались на отраслевой НТК "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении" (Ростов-на-Дону, 1998 г.), межвузовских конференциях (СамИИТ, 1997-1998 г.г., ДВГУПС 1998 г.), семинарах (ЦНИИМОД Архангельск, 1998 г., Екатеринбург, 1999 г.; CAO Энергосетьпроект, Ташкент 1998 г.), совещаниях службы "Э" Куйбышевской железной дороги в 1997 - 1999 г.г.

Диссертационная работа рассматривалась и одобрена кафедрами "Электроснабжение железнодорожного транспорта" СамИИТа и "Электроснабжение транспорта" УрГАПС.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 8 печатных работах в тезисах НТК, вузовских и межвузовских сборниках научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 12 таблиц и 2 6 рисунков, приложений, состоящих из 3 страниц. Библиографический

список использованной литературы содержит 108 наименования на 12 страницах. Общий объем работы 164 страниц.

Содержание работы

Во введении обосновываются актуальность темы, цель и задачи диссертационного исследования, отмечаются новизна работы и ее практическое значение.

В первой главе на основании анализа литературных источников раскрыты проблемы координации изоляции BJI, повышения уровня изоляции комбинированного узла "фарфор-дерево" , теории взаимодействия древесины с ЭМП, теории электропроводности органических электроизоляционных материалов и электротеплового пробоя древесины. Приводится анализ результатов экспериментальных исследований электропроводности натуральной и

антисептированной древесины.

Приведен анализ современных эффективных химических средств защиты деревянных несущих и опорно-поддерживающих конструкций BJI от био- и огнедеструкции и обосновано их внедрение в электросетевое строительство. Сформированы основные направления работы по установлению причинно-следственной связи между природно-климатическими воздействиями и условиями эксплуатации воздушных линий и уровнем их надежности.

Вторая глава посвящена теоретическим вопросам работы: разработке математических моделей влияния температуры и относительной влажности среды на электропроводность древесины в радиальном направлении волокон, на электропроводность элементов загрязненной и увлажненной

комбинированной изоляции "фарфор-дерево" BJI.

Математическое