автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Разработка технических средств для определения состояния изолирующих покрытий кабелей электроснабжения и связи на электрифицированных железных дорогах

■J' А""'" ■ у

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОЕО КРАСНОЕО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

БАТРАКОВ Сергей Александрович

УДК 621.332:621.316.97

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ КАБЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И СВЯЗИ НА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ

Специальность 05.22.09 -"Электрификация железнодорожного транспорта"

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: - д.т.н., профессор, академик АКХ и AT РФ A.B. Котельников

Научный консультант: - с.п.е., к.т.н. В.А. Кандаев

МОСКВА 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................5

I. КОРРОЗИЙНОЕ СОСТОЯНИЕ КАБЕЛЕЙ НА СЕТИ ЖЕЛЕЗНЫХ

ДОРОГ .....................................................9

II. ПАРАМЕТРЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ ИЗОЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ

КАБЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И СВЯЗИ..................18

2.1. Первичные и волновые параметры металлических покровов кабелей электроснабжения и связи................................. 18

2.2. Экспериментальное определение параметров кабеля в двушланговом покрытии.............................. . ................35

2.3. Определение полного переходного сопротивления повреждения изолирующего покрытия..................................45

2.4. Температурная зависимость параметров полного переходного сопротивления в местах повреждения изолирующих покрытий кабеля ................................................... 51

2.5. Исследование зависимости параметров повреждения изолирующего покрытия кабеля от тока поляризации........................59

III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА И НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ОТ КАБЕЛЯ С ПОВРЕЖДЕННЫМ ИЗОЛИРУЮЩИМ ПОКРЫТИЕМ.............................73

3.1. Распределение напряжения и тока по оболочке кабеля с поврежденным изолирующем покрытием............................73

3.2. Определение напряжений и шков в двухкабельной системе.....93

3.3. Распространение потенциалов и напряженности магнитного поля на поверхности земли от кабеля с поврежденным изолирующим покрытием............................................121

IV. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ ОБОЛОЧКИ

КАБЕЛЯ.................................................. 137

4.1. Оценка параметров магнитного ноля помех в условиях электротяги переменного и постоянного токов..........................137

4.2. Разработка автоматизированных технических средств дистанционного контроля величины сопротивления изоляции оболочки кабеля в шланговом изолирующем покрытии........152

4.3. Функциональная схема системы контроля сопротивления

изоляции оболочек кабеля .............. ................154

4.4. Разработка технических средств определения мест повреждения изолирующего шлангового покрытия.......................164

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................170

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................173

ПРИЛОЖЕНИЕ I. Документы, подтверждающие испытание автоматизированной системы кон 1 роля сопротивлений изоляции и устройства для определения мест повреждения кабеля в

полимерном изоляционном покрытии............184

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Документы, подтверждающие внедрение результатов

работы...................................... 199

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Расчет экономической эффективности внедрения автоматизированных технических средств определения состояния изолирующих покрытий кабеля..........202

ВВЕДЕНИЕ

Постановка задачи. Эффективность работы железнодорожного транспорта, его пропускная и перерабатывающая способность во многом определяются системой управления, использующей современные технические средства, обязательными элементами которых являются системы электрификации и системы передачи и обработки больших потоков информации. Основным определяющим и дорогостоящим элементом этих систем являются кабельные линии электроснабжения и связи. Как правило, стоимость кабельных линий значительно превышает стоимость станционного оборудования.

Нормативные срок службы кабельных линий (КЛ) составляет более 40 лет. Однако кабель выходит из строя раньше срока из-за нарушения целостности его герметизирующей оболочки. Такие нарушения происходят при земляных работах на трассе кабеля, от сезонных замерзаний грунта, при ударах молний, от вибрации почвы; очень велика доля повреждений из-за электрохимических процессов, происходящих на границе раздела сред "оболочка-земля" при различных видах коррозии.

Вероятность коррозии металлических покровов железнодорожных кабельных линий во много раз больше, чем кабелей других ведомств, так как они расположены в непосредственной близости от тяговой сети - источника гальванического и индуктивного влияния.

Задача обеспечения защиты оболочки кабелей от коррозийного разрушения является достаточно сложной. Традиционные методы защиты кабелей энергетики и связи такого типа часто становятся малоэффективными и дорогостоящими мероприятиями.

Целью работы является разработка технических средств дистанционного и локального определения состояния изолирующих покрытий оболочки кабелей.

Для достижения поставленной цели была осуществлена следующая программа теоретических и экспериментальных исследований:

1. Расчет и экспериментальное определение параметров металлических покровов кабелей электроснабжения и связи.

2. Исследование параметров повреждений изолирующего покрытия оболочек кабелей.

3. Распределение напряжений и токов по длине оболочки кабеля с поврежденным изолирующим покрытием.

4. Определений напряжений и токов в пучке кабелей.

5. Распределение потенциала и напряженности магнитного поля на поверхности земли от поля кабеля с поврежденным изолирующим покрытием.

6. Разработка технических средств определения состояния изолирующих покрытий оболочки кабеля.

7. Оценка параметров магнитного поля помехи в условиях электротяги переменного и постоянного токов.

8. Разработка технических средств дистанционного контроля величины сопротивления изоляции оболочки кабеля в шланговом изолирующем покрытии.

9. Разработка технических средств определения мест повреждения изолирующего шлангового покрытия.

Методы исследования. В основу теоретических и экспериментальных исследований положены теории электромагнитного поля и электрических цепей с использованием ПЭВМ. Проведены расчеты параметров металлических покровов кабелей электроснабжения и связи, распределения потенциала и напряженности магнитного поля на поверхности земли от кабеля с поврежденным изолирующим покрытием. Для определения параметров повреждения изолирующих покрытий кабеля от температуры и тока поляризации проведены лабораторные экспериментальные

исследования. Результаты измерений в полевых условиях позволили оценить параметры электрического и магнитного поля помехи.

Практическая ценность диссертационной работы.

1. Разработанные технические средства дистанционного контроля величины сопротивления изоляции оболочки кабеля позволят проводить диагностику состояния изолирующих покрытий кабелей.

2. Технические средства определения мест повреждения изолирующего шлангового покрытия позволят оперативно определять места повреждения на участках железных дорог с электротягой поездов постоянного и переменного токов и своевременно устранять повреждения.

Внедрение. Результаты диссертационной работы в части дистанционного определения величины сопротивления изоляции оболочки магистрального кабеля внедрены на участке Омск - Любинская ЗападноСибирской железной дороги. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения составляет 30300 рублей, в ценах 1998 г. Результаты работы в части технических средств определения мест повреждения изолирующего шлангового покрытия внедрены на Кокчетавском отделении Целинной железной дороги. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения составляет 2519 рублей, в ценах 1998 г.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства диагностирования технических средств" г. Омск, 1989 г.; на И-й международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта", посвященной 100-летию МИИТа, г. Москва, 1996 г.; на техническом совете электротехнического факультета, ОмГУПС, 1997 г.; на научных семинарах кафедры "Системы передачи информации", ОмГУПС, 1996 г., 1997 г.; на научно-техническом совете ВНИИЖТа, 1997 г.

Работа выполнена на отделении "Электрификации" ВНИИЖТа и кафедре "Системы передачи информации" ОмГУПС.

Публикации. Г1о материалам диссертационной работы.опубликовано 11 статей. Оформлено 3 акта внедрения.

1. КОРРОЗИЙНОЕ СОСТОЯНИЕ КАБЕЛЕЙ НА СЕТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОЕ

На сети железных дорог основным источником индуктивного и гальванического влияния на соседние подземные сооружения является тяговая сеть электрического рельсового транспорта [1]. Особенностью электрического рельсового транспорта является использование рельсовой цепи в качестве обратного провода для возврата тяговых токов на подстанцию. Но из-за неидеальной изоляции рельсов от земли, часть тягового тока проникает в землю, который может достигать десятки и сотни ампер [2]. Начиная с 40-х годов, вопросы защиты подземных сооружений от блуждающих токов регламентировались межведомственными правилами защиты, в дальнейшем стандартом и инструкциями [3, 4, 5, 6, 7].

Организация технического обслуживания линейно-кабельного хозяйства, обеспечение безаварийной работы магистральных кабельных линий в течение всего амортизационного периода является сложной инженерно-технической задачей, которая в настоящее время полностью не решена. Одним из факторов, обеспечивающих безаварийную работу кабельной линии, является защита от коррозии герметизирующей оболочки кабеля.

Вероятность коррозии металлических покровов железнодорожных кабельных линий во много раз больше, чем кабелей других ведомств, так как они расположены в непосредственной близости от тяговой сети [8, 9, 10], поэтому вопросы защиты подземных сооружений от коррозии блуждающими токами не могут успешно решаться без учета построения и режима работы тяговой сети железнодорожного электрического транспорта.

В настоящее время на сети железных дорог находится в эксплуатации большое количество кабельных линий в шланговом изолирующем

покрытии (около 35 % от общей протяженности кабельных магистралей). Изолирующий полимерный покров, нанесенный на алюминиевую оболочку в заводских условиях, предотвращает взаимодействие алюминия с окружающей средой, что предохраняет оболочку от коррозийного разрушения. Однако в процессе укладки и эксплуатации шланговый покров часто получает механические повреждения, после чего алюминиевая оболочка быстро выходит из строя. Кроме того, полимерное покрытие под действием некоторых органических веществ может изменять физико-химические свойства, что ведет к набуханию и отслаиванию от оболочки.

Поэтому выявление и анализ факторов, оказывающих влияние на коррозийное состояние железнодорожных кабелей, разработка организационно-технических мероприятий и внедрение их в практику защиты от коррозии - все это составные части актуальной научно-технической и экономической задачи.

Сотрудниками ОмИИТа (ныне ОмГУПС) и ВНИИЖТа по заданию МПС было проведено обследование состояния кабельных линий, находящихся в эксплуатации.

В табл. 1.1 приведены сведения по типам уложенных кабелей.

Таблица 1.1 Марки кабелей, применяемые на сети дорог

Марка кабеля Общая длина, км Процент

1 2 3

Свинцовая оболочка бронированная

МКСПАБ 1944 5

МКСПАК 27 0,07

МКСБл 848 2,2

МКСБ 142 0,37

МКБ 32 0,08

МКБПМБ 209 0,54

11родолжение табл. 1.1

1 2 3

МКБКМБ 942 2,43

МКБМБ 27 0,07

МКПЛМБ 48 0,12

ТЗБ 46 0,12

ТЗПАБ 70 0,18

ТДСБ 488 1,26

ТЗПАП 147 0,38

ТЗПКАБ 39 0,10

ЗКПАБ 194 0,50

ЗКП 192 0,50

СМКПВК 198 0,50

Итого 5593 14,45

Стальная гофрированная оболочка

МКССтШп 290 0,75

МКССт 166 0,43

Итого 456 1,18

Алюминиевая оболочка бронированная

МКБАБ 8587 22,2

МКБАБл 525 1,36

МКБАП 246 0,64

МКС А Б 380 0,98

МКПАБ 6780 17,5

МКПАБл 1694 4,38

МКПАП 586 1,51

МКПАПу 250 0,65

ТЗАБл 49 0,13

Итого 19097 49,35

Окончание табл.1.1

1 2 3

Алюминиевая оболочка и шланговое полимерное покрытие

МАУМ-к 4038 10,43

МКСПАШп 5138 13,28

МКСАШп 3279 8,47

МКБАШп 865 2,24

ТЗАВБ 228 0,59

ТЗАШп 7 0,018

Итого 13555 35,02

Всего 38700 100,00

Кабели с алюминиевой оболочкой составили 32650 км, или 84,4%, из них 13555 км (35%) имеют шланговое покрытие; кабели со свинцовой оболочкой составляют 5592 км (14,4%); со стальной гофрированной оболочкой 456 км (1,2%). Бронированные кабели составляют 28730 км (74%), не бронированные - 26%, из них 9807 км (25,3%) кабели с алюминиевой оболочкой в шланговом покрытии без брони.

По зонам влияния от электрифицированных железных дорог общая длина кабельных линий, равная 47715 км, распределяется следующим образом: 17093 км (35.8° о) в зоне электрической тяги постоянного тока; 20895 км (43,8%) в зоне электрической гяги переменного тока и вне зоны (автономная тяга) - 6463 км (13,5%) (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Распределение кабеля по зонам влияния электрических железных дорог

Дорога Длина кабеля, км Находится в зоне тяги

постоянного тока переменного тока автономной

Восточно-Сибирская 4684 928 3756 0

Свердловская 5594 3308 0 2286

Горьковская 6176 207 4365 1604

Дальневосточная 3990 0 2818 1172

Московская 16746 13500 2846 400

Забайкальская 1373 0 1373 0

Красноярская 947 0 947 0

Западно-Сибирская 2345 1179 1166 0

Южно-Уральская 1139 669 470 0

Приволжская 786 0 623 163

Юго-Восточная 784 0 316 468

Северная 625 0 625 0

Октябрьская 1396 576 462 358

Северо-Кавказская 1130 0 1130 0

ВСЕГО 47715 17093 20895 6463

Таким образом, свыше 35% кабелей находятся в зоне влияния блуждающих токов электрических железных дорог постоянного тока, или в зоне повышенной коррозионной опасности.

Анализ коррозийного состояния кабельных линий на сети железных дорог позволил установить, что:

1. Около 50% кабельных линий уложены в грунт с высокой и средней коррозионной опасностью в соответствии с ГОСТ 9.602-89;

2. Наиболее частым местом коррозионных повреждений кабельных линий являются соединительные муфты, выполненные методом горячей пайки с применением свинцовых муфт-, а также места стыковки кабелей с оболочками из разнородных металлов;

3. В общем количестве коррозийных повреждений кабелей существенная доля принадлеж;ит коррозии оболочки в местах механических повреждений изолирующих покрытий кабеля;

4. Отсутствуют целенаправленные организационно-технические мероприятия по борьбе с коррозией. Активными средствами защиты защищено не более 1% протяженности кабельных линий. В штатном расписании служб и дистанций отсутствуют специалисты по защите подземных сооружений от коррозии, нет специализированной нормативно-технической документации, хотя в системе МПС утверждены и действуют инструкции и указания [11];

5. Существующие методы и технические средства не позволяют с достаточной точностью определить места повреждений изолирующих покрытий кабеля, особенно в местах, подверженных влиянию электрифицированного транспорта;

6. Общее количество повреждений кабельных линий составляет 0,86 на 100 км длины в год, из них по причине коррозии - 0,477. Среднее время восстановления кабельных линий по устранению одного повреждения составляет около 23 часов. Затраты на устранение одного повреждения с учетом простоя магистрали составляет 3100 рублей в ценах 1998 г.;

Из специфических повреждений имеют место прожоги оболочки кабеля тяговыми токами, что свидетельствует о необходимости изучения защиты как с точки зрения коррозии, так и от опасных и мешающих влияний, и выполнения защитных мероприятий;

7. В целом коррозийное состояние магистральных кабельных линий на сети железных дорог следует квалифицировать как неудовлетворительное.

Подробный анализ состояния магистрального кабеля по дорогам и дистанциям сделан в отчете о научно-исследовательской работе [12].

В табл. 1.3 приведены сведения о повреждениях на кабельных линиях и расчет их на 100 км длины кабеля за год.

Таблица 1.3

Сведения о повреждениях кабельных линий

Дорога Длина кабеля Ь, км Повреждения кабельных линий за 5 лет Плотность повреждений на 100 км за год Среднее время устранения 1 повреждения ч

общие по причине коррозии, N общая 1»0 по причине коррозии, П1

1 2 3 4 5 6 7

ВосточноСибирская 4014 710 392 3,538 1,95 24

Свердловская 5594 285 196 1,019 0,70 25

Горьковская 6176 240 169 0,777 0,55 16

Дальневосточная 3990 133 47 0,667 0,24 И

Московская 16746 324 150 0,412 0,19 116

Забайкальская 1373 31 8 0,45 0,12 2,5

Красноярская 947 38 0 0,80 0 0

ЗападноСибирская 2345 66 49 2,73 1,95 40

Приволжская 786 12 9 0,305 0,23 4

Юго-Восточная 784 28 17 0,71 0,43 23

Северная 625 4 3 0,13 0,10 6

Октябрьская 1396 21 6 0,30 0,086 23

СевероКавказская 1130 271 162 4,34 2,59 37,2

ВСЕГО 45912 2163 1208 0,864 0,477 23

В табл. 1.4 приведены показатели надежности: плотность повреждений т; интенсивность отказов на 100 км X; время наработки на отказ То

и коэффициент готовности кабельной магистрали на 100 км К , которые рассчитаны по следующим формулам:

N»100

, _ т 1 , 87М'

8760-m-t Т =-ч

о Ш

8760-т-1

__в

г - 8760 где Ы- количество повреждений; К -количество лег наблюдения; Ь - длина кабельной магистрали; I - вре�