автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование диагностики внешней изоляции систем электроснабжения железных дорог на основе параметров тока утечки

На правах рукописи

КОМОЛОВ Александр Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИАГНОСТИКИ ВНЕШНЕЙ ИЗОЛЯЦИИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА ОСНОВЕ ПАРАМЕТРОВ ТОКА УТЕЧКИ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

2 6 дпр 2072

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 2012

005019738

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетної^ образовательном учреждении высшего профессионального образованш «Самарский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПС СамГУПС) на кафедре «Муниципальный пассажирский транспорт».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

РУЦКИМ Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ОВСЯННИКОВ Александр Георгиевич

кандидат технических наук, доцент ПОКРОВСКИЙ Александр Валерьянович

Веду щая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный

университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится « «¿¿(23_201^г. в /^часов па

заседании диссертационного совета Д218.011.01 в Самарском государственном университете путей сообщения по адресу: г. Самара, ул. Свободы, 2а, корп. 5, ауд. 5216.

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

Автореферат разослан «Л?» _2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета Д 218.011.01: 443066, г. Самара, 1-й Безымянный пер., 18, СамГУПС, факс: (846) 262-30-76.

Ученый секретарь ^^

диссертационного совета Д218.011.01 ^^^^ кандидат технических наук, доцент ¿^^^у B.C. Целиковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Совершенствование технической диагностики внешней изоляции контактной сети (КС) является неотъемлемой частью общей задачи повышения надежности работы системы электроснабжения железных дорог (СЭЖД).

Надежность работы внешней изоляции СЭЖД обеспечивается, в первую очередь, обоснованными проектными решениями по выбору уровня электрической прочности изоляции и соответствующими эксплуатационными мероприятиями по его поддержанию.

Однако, как свидетельствует опыт эксплуатации, в ряде случае проектные решения по выбору изоляции СЭЖД не были достаточно обоснованы, и это привело к тому, что выбранные при проектировании и реализованные при строительстве уровни изоляции в настоящее время не соответствуют условиям эксплуатации.

Это является одной из причин того, что значительное (до 30 %) количество отказов КС происходит по причине нарушения работоспособного состояния изоляции. До 85 % отказов изоляторов приходится на участки, электрифицированные на переменном токе, при этом сами изоляторы в большинстве случаев не разрушаются и в дальнейшем восстанавливают свою электрическую прочность, что указывает на произошедшее перекрытие изоляции, а не на ее пробой. Таким образом, первопричиной отказа в данном случае является либо неверно выбранный уровень изоляции, либо изменение условий эксплуатации.

В связи с вышеизложенным можно сформулировать две задачи технической диагностики внешней изоляции:

1) выявление участков КС, на которых необходимо усиление изоляции (повышение электрической прочности путем увеличения длины пути утечки изоляционных конструкций, применения твердых гидрофобных покрытий, замены изоляционных конструкций из традиционных изоляционных материалов на полимерные изоляторы н т.д.);

2) оперативный контроль электрической прочности изоляции, направленный на своевременное проведение соответствующих профилактических мероприятий по приведению электрической прочности изоляции к уровню, соответствующему условиям эксплуатации (чистка изоляции, обмыв под напряжением и т.д.).

Однако существующие методы диагностики не позволяют решить эти задачи оперативно и в необходимом для достоверной диагностики объеме. Поэтому совершенствование диагностики внешней изоляции СЭЖД является актуальной задачей для ОАО «РЖД».

Это подтверждается и тем, что в «Направлениях НИР по грантам ОАО «РЖД» для молодых ученых» в разделе «Повышение надежности работы и уве-

личение эксплуатационного ресурса технических средств» присутствует направление «Разработка принципиально новых систем диагностики и мониторинга объектов инфраструктуры и подвижного состава», которое включает в себя разработку устройств и методов, позволяющих с достаточной достоверностью выявлять изоляторы с пониженной электрической прочностью.

Объект исследования — внешняя высоковольтная изоляция контактной сети переменного тока систем электроснабжения железных дорог.

Предмет исследования — параметры импульсного. тока утечки, протекающего по внешней изоляции в условиях эксплуатации при увлажнении ее поверхности.

Целью исследования является повышение надежности работы контактной сети переменного тока систем электроснабжения железных дорог путем совершенствования диагностики внешней изоляции на основании контроля параметров тока утечки.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

¡.Провести анализ отказов контактной сети переменного тока при воздействии рабочего напряжения.

2. Разработать лабораторный комплекс, позволяющий моделировать основные виды загрязнений и увлажнений, наблюдаемых в процессе эксплуатации изоляции контактной сети.

3. Провести прямой физический высоковольтный эксперимент с целью регистрации значений тока утечки через испытуемые загрязненные изоляторы при различных сочетаниях интенсивности увлажнения и максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения.

4. Провести статистическую обработку и анализ полученных экспериментальных данных с целью определения комплекса признаков, позволяющего достоверно оценивать удельную поверхностную проводимость слоя загрязнения.

5. Разработать методику определения соответствия электрической прочности изоляции условиям эксплуатации.

Методы исследований определялись характером каждой из поставленных задач и опирались на положения теории развития разряда в воздухе вдоль загрязненной и увлажненной поверхности. В процессе исследования были использованы методы постановки и планирования эксперимента, цифровой и статистической обработки данных, методы дисперсионного и регрессионного анализа, применялось программирование на языках Visual Basic и Object Pascal. Для построения графических зависимостей и диаграмм были использованы пакеты прикладных программ StatSoft Statistica, MathCAD, MATLAB Simutink.

Экспериментальные данные получены в лаборатории «Техника высоких напряжений» Самарского государственного университета путей сообщения в результате регистрации токов утечки по поверхности загрязненной и увлажненной изоляции.

Научная новизна работы:

1. Экспериментально установлены ранее неизвестные зависимости тока утечки по изоляции контактной сети от интенсивности увлажнения и максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения.

2. Разработана методика проверки электрической прочности внешней изоляции контактной сети на соответствие условиям эксплуатации, отличающаяся тем, что в качестве диагностических признаков используются параметры тока утечки, и позволяющая определять максимальную удельную поверхностную проводимость слоя загрязнения.

Практическая ценность работы:

1. Разработан алгоритм, позволяющий по амплитудным значениям импульсов тока утечки определять максимальную удельную поверхностную проводимость слоя загрязнения изоляции контактной сети в условиях эксплуатации.

2. Разработана методика, позволяющая оценивать соответствие фактической электрической прочности изоляции требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ) и ведомственных норм ОАО «РЖД», а также осуществлять оперативную диагностику электрической прочности изоляции с целью своевременного проведения профилактических мероприятий.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Анализ работы внешней изоляции контактной сети переменного тока в условиях загрязнения и увлажнения при воздействии рабочего напряжения.

2. Алгоритм определения максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения как интегрального диагностического параметра электрической прочности внешней изоляции контактной сети.

3. Методика проверки электрической прочности внешней изоляции контактной сети на соответствие условиям эксплуатации.

Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечена соответствием характеристик используемого испытательного оборудования требованиям нормативных документов по проведению высоковольтных испытаний, применением поверенных средств измерения, повторяемостью измерений и их соответствием результатам, опубликованным в научной литературе.

Полученные в экспериментах характеристики тока утечки по загрязненной поверхности качественно и количественно согласуются с результатами других авторов, опубликованными ранее.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы в практике диагностирования электрической прочности высоковольтной изоляции и при составлении карт степеней загрязнения в ООО «ЭТС ИНТЕК-Сервис». Также результаты используются в учебном процессе по дисциплине «Техника высоких напряжений» и в работе научно-исследовательской лаборатории ТВН СамГУПС.

Апробация работы. Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на XXXVIII научной конференции студентов и аспирантов (г. Самара, 2011 г., СамГУПС), Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологин» (г. Тольятти, 2009 г, ТТУ), на восьмом ежегодном научном семинаре «Методы и средства контроля изоляции высоковольтного оборудования» (г.Пермь, 2011г.), научно-практической конференции «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта» (г.Омск, 2011г., ОмГУПС), научно-практическом семинаре кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» СамГУПС.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 10 печатных работах общим объемом 3,2 п.л. (авторский вклад -60 %), в том числе - 7 статей, тезисы двух докладов и 1 патент на полезную модель; в том числе 3 статьи - в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных перечнем ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 148 страниц основного текста, 60 рисунков, 12 таблиц и 4 приложения на 40 страницах. Список использованных источников содержит 116 наименований. Общий объем работы - 188 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной проблемы диагностики внешней изоляции КС, сформулированы цель и задачи исследования, представлены научная новизна и практическая ценность результатов исследования, приведены положения, выносимые на защиту, представлены сведения об апробации.

В первой главе проанализирована работа внешней изоляции КС переменного тока в условиях загрязнения и увлажнения при воздействии рабочего напряжения.

Исследования в этом направлении проводились в НИИПТ, ВЭИ, ОРГРЭС, МЭИ, СибНИИЭ, НГТУ. Изучению и решению вопросов проектирования и эксплуатации высоковольтной изоляции в условиях загрязненной атмосферы посвя-

щены научные труды Александрова Г.Н., Мерхалева С.Д., Остапенко Е.И., Овсянникова А.Г., Руцкого В.М., Соломоника Е.А и других авторов.

Вопросам повышения надежности эксплуатации систем электроснабжения железных дорог уделяется большое внимание практически во всех ведущих железнодорожных вузах России, а также в ОАО «РЖД» и ВНИИЖТ. Исследованию проблем надежности и технической диагностики систем электроснабжения железных дорог посвящены научные труды Галкина А.Г, Ефимова A.B., Сердино-ва С.М., Чекулаева В.Е. и других авторов.

В главе рассмотрена взаимосвязь электрической прочности изоляции и воздействующих на изоляцию КС в процессе эксплуатации напряжений (рис. 1).

Здесь 1 — электрическая прочность гирлянды сухих изоляторов при правильно выбранном уровне изоляции; 2 — снижение электрической прочности гирлянды изоляторов при увлажнении загрязненной поверхности при верно выбранном уровне изоляции; 3 — электрическая прочность гирлянды сухих изоляторов при неверно выбранном уровне изоляции; 4 — электрическая прочность гирлянды изоляторов при увлажнении загрязненной поверхности при неверно выбранном уровне изоляции.

Несоответствие электрической прочности изоляции КС условиям эксплуатации (рис. 1, график 4) на некоторых участках КС подтверждается опытом эксплуатации, который также проанализирован в главе.

Определен критерии соответствия электрической прочности КС условиям эксплуатации с учетом статистического характера факторов, влияющих на работу внешней изоляции - коэффициент запаса электрической прочности к„ то есть отношение минимального пятидесятипроцентного влагоразрядного напряжения изоляционной конструкции C/5o%epmin к наибольшему рабочему фазному напряжению КС Upmm:

Рис. 1. Воздействующие на изоляцию КС напряжения и электрическая прочность изоляции: А — область воздействия перенапряжений при прямом ударе молнии в КС; В — область воздействия коммутационных перенапряжений; С — область воздействия рабочего напряжешгя

Здесь под минимальным пятидесятипроцентным влагоразрядным напряжением изоляционной конструкции понимается пятидесятипроцентное влагоразряд-ное напряжение при максимальном значении удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения, характерного для района расположения участка КС.

Показано, что коэффициент запаса, обеспечивающий оптимальную с технико-экономической точки зрения надежность эксплуатации внешней изоляции на уровне 1 допустимое отключение по причине перекрытия загрязненной изоляции за 10 лет на 100 км эксплуатационной длины КС, зависит от числа гирлянд изоляторов на фидерном участке КС и числа увлажнений пу (рис. 2).

Также были рассмотрены и проанализированы существующие способы и методы диагностирования электрической прочности внешней изоляции. В результате было установлено, что основным направлением диагностики изоляции является обнаружение изоляторов, полностью потерявших свою изолирующую способность в результате пробоя, т.е. разряда сквозь толщу диэлектрика. Актуальность этого направления диагностики в значительной степени снижается в связи с тенденцией замены фарфоровых изоляторов на стеклянные (самодиагностирующиеся). В то же время, диагностике изоляторов с электрической прочностью, сниженной вследствие загрязнения их поверхности, уделяется недостаточное внимание, хотя именно такие изоляторы могут в значительной мере снижать уровень надежности системы тягового электроснабжения.

Во второй главе диссертационной работы приведены результаты разработки и описание приборного и методического обеспечения, требуемого для проведения высоковольтного эксперимента по измерению и регистрации токов утечки через поверхность загрязненной изоляции в сочетании с искусственными увлажнениями различной интенсивности при длительном приложении переменного напряжения промышленной частоты.

Для выполнения поставленных задач требовалось разработать и изготовить лабораторный комплекс, позволяющий моделировать условия эксплуатации изоляции в открытой атмосфере. В качестве объектов эксперимента были выбраны подвесные тарельчатые стеклянные изоляторы типа ПС120-Б, обладающие ти-

/У, ■

?

л 1

1 \ 3

' *

1

Рис. 2. Зависимость оптимального коэффициента запаса (к, оп„) от числа изоляционных конструкций (т) при годовом числе увлажнений: 1 -пу = 140/2-пу= 100/3-/^ = 60

пичной конфигурацией для изоляторов нормального исполнения и нашедшие широкое применение в КС СЭЖД.

Загрязнение изоляторов проводилось согласно ГОСТ 10390-86 «Электрооборудование на напряжение свыше 3 кВ. Методы испытаний внешней изоляции в загрязненном состоянии» методом предварительного загрязнения: изоляторы искусственно покрывались равномерным слоем загрязняющего вещества путем погружения изолятора в водную суспензию.

В качестве загрязняющего вещества использовалась суспензия, состоящая из 40 г каолина, 1000 г воды и различного количества поваренной соли в зависимости от требуемой степени загрязнения (СЗ). Удельная электрическая проводимость воды при температуре 20 °С составляла не более 400 мкСмсм" , что удовлетворяет требованиям ГОСТа (не более 500 мкСм-см"1).

Суспензия, соответствующая требуемой для проведения эксперимента СЗ изоляции, использовалась для загрязнения партии изоляторов в количестве 30 штук. После полного высыхания поверхности изоляторов на двух случайно отобранных объектах производились измерения поверхностной плотности загрязнения, для чего с пяти частей изоляционной детали счищался слой загрязнения, определялась его масса и делилась на площадь очищенной поверхности. Полученные значения поверхностной плотности загрязнения отличались от среднего по изолятору значения не более, чем на 15 %, что свидетельствует о достаточно высокой степени равномерности нанесения загрязняющего вещества (стандартом допускается отклонение до 25 %).

При проведении испытаний методом предварительного загрязнения в качестве меры степени загрязнения используется удельная поверхностная электрическая проводимость, измеряемая на испытуемом или контрольном изоляторе, находящемся в одинаковых условиях с испытуемым.

Удельную поверхностную проводимость определяют по следующей формуле, мкСм:

где Й - поверхностное сопротивление в состоянии увлажнения до насыщения, МОм;

Кф - коэффициент формы изолятора, зависящий только от его геометрических параметров.

Коэффициент формы указывается заводом-изготовителем в паспорте продукции. Для исследуемого изолятора ПС120-Б Кф = 0,8.

Поверхностное сопротивление сильно зависит от содержания влаги в слое загрязнения и достигает своего наименьшего значения при его увлажнении до со-

стояния насыщения. Увлажнение сверх этого предела вызывает: разрушение слоя загрязнения и приводит к образованию капель на нижней поверхности изолятора, вместе с которыми вымываются проводящие примеси. В естественных условиях такой процесс наблюдается при дождях сильной интенсивности и носит название естественной очистки изоляции.

Для корректного проведения эксперимента было необходимо точно определять максимальную поверхностную проводимость слоя загрязнения, поэтому требовалось аккуратно увлажнять поверхность изолятора и непрерывно измерять его сопротивление. Измерение сопротивления осуществлялось с помощью мегомметра на 2500 В в пределах от 20 до 200 кОм. Зафиксированное минимальное значение сопротивления указывало на достижение состояния насыщения, после этого увлажнение прекращалось. Подобные измерения проводились на каждом исследуемом изоляторе для сокращения возможной дисперсии значений удельной поверхностной проводимости.

Для создания условий эксперимента, наиболее полно соответствующих условиям эксплуатации, был проведен анализ наиболее опасных с точки зрения снижения изолирующей способности видов увлажнения, каковыми являются плотные туманы и моросящие дожди. Выявлено, что из этих двух видов более опасными являются плотные адвективные туманы, так как они обеспечивают более равномерное и всестороннее увлажнение поверхности изоляторов, включая ее нижнюю часть.

Известно, что для адвективных туманов характерный размер капель составляет от 5 до 30 мкм с модальным значением 11,5 мкм, причем вероятность появления капель с размером менее 8 и более 20 мкм составляет менее 10 %. Также известно, что в увлажнении туманами поверхности изоляторов решающую роль играет механизм инерционного осаждения капель влаги, который проявляет себя в случае движения тумана относительно изолятора, т.е. при наличии ветра. Учитывая, что адвективные туманы наиболее часто сопровождаются ветром скоростью от 0,5 до 5 м/с, принято считать, что именно они являются наиболее неблагоприятным видом увлажнения для загрязненной изоляции.

Таким образом, для моделирования увлажнения, схожего по характеристикам с природными туманами, необходимо создать поток мелкодисперсной влаги с удельной проводимостью не более 200 мкСм-см"1 и размером капель в пределах 820 мкм, движущийся со скоростью в пределах от 0,5 до 5 м/с.

Требуемым характеристикам соответствует поток увлажненного воздуха, создаваемый дисковыми увлажнителями воздуха. Распыление воды до мельчайших капель в них происходит за счет центробежных сил на краях быстро вращающегося диска. Создающийся аэрозоль с помощью встроенного вентилятора направляется через сопло в окружающий воздух. Заявленный производителем

размер капель составляет 8-15 мкм, скорость потока увлажнения варьируется в пределах от 1 до 2 м/с. Поэтому можно считать, что при подаче в такой увлажнитель дистиллированной воды с проводимостью ниже 200 мкСм-см"1, поток увлажнения на его выходе соответствует мощным природным адвективным туманам, сопровождаемым скоростью ветра 1-2 м/с.

Для изменения интенсивности увлажнения осуществлялось ограничение выходящего из сопла факела и тем самым снижалось количество влаги, поступающее на поверхность гирлянды. Таким образом были реализованы четыре различных интенсивности поступления влаги на изоляционную поверхность испытуемых изоляторов.

Далее были рассмотрены требования, предъявляемые к источнику напряжения для проведения испытаний. Согласно ГОСТ 10390-86, источник переменного напряжения (испытательный трансформатор вместе с регулирующим устройством) следует выбирать так, чтобы эффективное значение тока короткого замыкания не менее чем в 10 раз превышало наибольшее значение амплитуды импульсов тока утечки по испытуемому изолятору, возникающих в процессе испытаний и не приводящих к перекрытию изолятора.

При испытании напряжением 27,5 кВ гирлянды из четырех изоляторов с максимальной удельной поверхностной проводимостью 28 мкСм, характерной для 3 СЗ, в сочетании с самым неблагоприятным режимом увлажнения максимальное амплитудное значение тока утечки составляло 102 мА. Поэтому для выполнения вышеуказанного требования достаточно, чтобы эффективное значение тока короткого замыкания источника напряжения превышало 1 А.

Под такие требования подходит источник на базе испытательного однофазного трансформатора ИОМ-100/28 с максимальным напряжением высокой стороны 100 кВ и мощностью 28 кВА. Регулировка напряжения осуществлялась на низкой стороне испытательного трансформатора посредством однофазного лабораторного автотрансформатора ТТЮС-30 мощностью 30 кВА с пределом регулирования напряжения от 0 до 250 В.

Для обеспечения защиты трансформаторов от протекания токов, превышающих номинальные значения, была установлена токовая защита на базе реле РТ-81, включенного через трансформатор тока в цепь вторичной обмотки автотрансформатора. При достижении током в измерительной цепи уставки срабатывания питание стенда прекращается.

По результатам расчетов эффективное значение тока короткого замыкания для указанной установки составило 1,25 А. Следовательно, такой источник переменного напряжения позволяет осуществлять испытания изоляции с амплитудами токов утечки в предразрядном режиме до 125 мА.

Для измерения тока утечки через испытуемую гирлянду изоляторов был использован измерительный шунт, включенный последовательно с ней в высоковольтную цепь. Для обеспечения безопасности параллельно измерительному шунту были включены два разрядника на напряжение 50 В. Падение напряжения на зажимах шунта прямо пропорционально протекающему через цепь «испытательный трансформатор-гирлянда-шунт» току, который при малом значении сопротивления шунта (40 Ом) можно принять равным току утечки.

Таким образом, задача сводится к необходимости обеспечить измерение и регистрацию в цифровом виде падения напряжения на измерительном сопротивлении. Максимальное значение падения напряжения определяется максимальным значением тока утечки и при указанной величине 125 мА составляет 5 В.

В соответствии с предъявленными требованиями было выбрано аналого-цифровое устройство 8-11есогс1ег Е российского производства, позволяющее измерять и сохранять в файл на персональном компьютере падение напряжения в пределах ±10 В с частотой дискретизации до 100 кГц. Такая частота позволяет получить довольно подробную картину изменения токов утечки под воздействием синусоидального напряжения и фиксировать моменты резкого изменения тока утечки при образовании на изоляторах поверхностных частичных разрядов (ПЧР). Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 3.

Далее проведено планирование эксперимента, в результате которого составлен классический план двухфакторного четырехуровневого эксперимента, в котором факторами являются удельная поверхностная проводимость слоя загрязнения и интенсивность увлажнения.

5Р1 Руй КМ1 Истмапельнае поле

Рис. 3. Принципиальная схема электрической части лабораторного стенда: SF1 - автоматический выключатель, /„<>„= 160 А; SB1 - кнопка «СТОП»; КМ! - контактор; TAI - трансформатор тока, Кт = ЗО; КА1 - электромагнитное токовое реле РТ-81; К1 - промежуточное реле; AT — однофазный автотрансформатор TDGC-30; ИТ - испытательный трансформатор ИОМ-100/28; ОИ— объект испытаний (гирлянда изоляторов); РД-разрядник;

Ruhm — ИЗМЄрИТЄЛЬНОЄ СОПрОТИВЛЄНИЄ

Блок защиты

КА1

В качестве границ уровней первого фактора выбраны значения, рекомендованные ПУЭ в качестве минимальных для градации по степеням загрязнения, а именно: для 1-й СЗ — 5 мкСм, для 2-й — 10 мкСм, для 3-й СЗ - 20 мкСм, для 4-й — 30 мкСм. В качестве уровней второго фактора использованы измеренные значения интенсивности увлажнения при четырех различных режимах работы дискового увлажнителя.

В третьей главе приведены результаты регистрации токов утечки, представлены результаты статистической обработки и регрессионного анализа экспериментальных данных.

Измерение и регистрация токов утечки проводились в течение одного часа с начала увлажнения. Как правило, первые 20 30 минут (в зависимости от интенсивности увлажнения) разрядные процессы на поверхности изоляторов проявлялись прерывисто, неустойчиво. Предполагается, что это связано с процессом насыщения слоя загрязнения влагой.

После завершения этого процесса на гирляндах образовывались поверхностные частичные разряды, акустические сигналы которых были хорошо слышны, а свечение разрядов наблюдалось невооруженным глазом при солнечном свете. На экране компьютера появление разрядов сопровождалось резкими, скачкообразными изменениями значений тока утечки на участке синусоиды, приблизительно соответствующем максимальной амплитуде приложенного напряжения (рис. 4).

Для обработки данных было решено использовать пакет прикладных программ БЫйзйса, т.к. он позволяет надежно совершать импорт данных из файлов больших размеров, и в дальнейшем осуществлять их фильтрацию, сортировку и статистическую обработку.

Рис. 4. Участки осциллограмм тока утечки гирлянды из 4-х изоляторов ПС120-Б, уг = 14 мкСм (соответствует второй СЗ), = 0,005 мгс'-см"2 длительностью:

а) 120 мс; б) 40 с

В главе предложен алгоритм обработки экспериментальных данных для повышения их информативности. В качестве примера его использования на рис. 6 представлены: а) первичные данные о мгновенных значениях тока утечки, зарегистрированные АЦП; б) амплитудные значения импульсов, выделенные на значимых участках, и гистограмма их распределения (первичная обработка данных); в) результат обработки с использованием алгоритма.

Как видно из представленных рисунков, вычисленные характеристики более стабильны с течением времени испытаний, чем просто значения тока утечки или значения всех амплитуд тока утечки. Полученные в результате расчета данные представляют собой одну из возможных оценок максимальных амплитуд тока утечки при увлажнении загрязненной изоляции.

Однако сравнение вычисленных средних значений максимальных амплитуд для различных уровней фактора «СЗ» дает понять, что наличие одного такого параметра не позволяет надежно определять удельную поверхностную проводимость слоя загрязнения, т.к. при различных интенсивностях увлажнения максимальные амплитуды могут изменяться в больших пределах (рис. 5). При использовании только этого параметра невозможно определить, какое именно сочетание внешних факторов испытывает в данный момент поверхность изоляции: малая величина удельной проводимости слоя загрязнения при большой интенсивности увлажнения или же большая удельная проводимость слоя загрязнения при умеренной интенсивности увлажнения. И если в первом случае неверная оценка степени загрязнения ведет к ошибке первого рода («ложная тревога»), то во втором случае имеется опасность появления ошибки второго рода («пропуск дефекта»), что сразу снижает ценность проведения подобной диагностики. Поэтому для надежного разделения таких состояний необходимо определить дополнительный диагностический параметр.

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

Рис. 5. Гистограммы повторяемости среднего значения 50 максимальных по модулю амплитуд тока утечки, наблюдаемых за 10 секунд, при различных степенях загрязнения

и ¡1 1 1 1

1 ■

' 1 1

1

1 1 I

1 и и ь и || У II ] .11 ] 1

10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 Ш 2 СЗ ■ 3 СЗ Ш 4 СЗ

1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 Время, С

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

lyr.MA

Г) д)

Flic. 6. Значения тока утечки при испытании 4-х изоляторов ПС120-Б напряжением 27,5 кВ при уг = 14 мкСм, Q = 0,0022 мг-с"'-см"2: а) ток утечки, зарегистрированный АЦП; б), в) результаты первичной обработки; г), д) результаты, полученные с использованием разработанного алгоритма при т = 50, = 10 с

В качестве дополнительных диагностических параметров были рассмотрены несколько других параметров, которые могут характеризовать не только степень загрязнения изоляции, но и интенсивность увлажнения, а значит - позволяют отделить друг от друга значения амплитуд токов утечки, соответствующие разным режимам увлажнения.

В процессе дальнейшего анализа было установлено, что интервалы времени между возникновением импульсов тока повышенной величины (т.е. превышающих некоторое граничное значение) достаточно хорошо описываются распределением Вейбулла-Гнеденко. Результаты вычислений показали, что если в качестве такой границы взять среднее двухсекундное значение амплитуд тока утечки, то значения критерия согласия Холлендера - Прошана будут соответствовать 95 % вероятности принятия гипотезы о верности распределения.

Поэтому для оценки интенсивности появления импульсов тока повышенной величины был использован параметр к:> распределения Вейбулла - Гнеденко, вычисляемый по следующей формуле:

(3)

где а и Ь - оценки параметров распределения, вычисленные методом максимального правдоподобия.

Определение значений найденных параметров проводилось для 120-секундных интервалов диагностики. Усредненные значения параметров, вычисленные по токам утечки при максимальной удельной поверхностной проводимости 18 мкСм, представлены на рис. 7.

Зависимость диагностируемой величины от выявленных параметров представлена в виде точек на рис. 8.

На рис. 8 также представлено графическое изображение регрессионной зависимости диагностируемой величины максимальной удельной поверхностной проводимости от диагностических параметров, которое в аналитическом виде имеет вид:

уг =0,0071М2 -0,0632/С -0,0297МЯ + 0,2633М + 3,0299^+4,9038, (4)

где уг -максимальная удельная поверхностная проводимость. мкСм;

М - среднее значение первого диагностического параметра (усредненное значение т = 50 максимальных амплитудных значений тока утечки за Дг„л,„ = 10 с) за время А^дкоги = 120 с, мА;

"К — второй диагностический параметр (параметр >, распределения Вейбулла для интервалов следования импульсов тока утечки, превышающих среднее двухсекундное значение амплитуды тока утечки, вычисленный за время Ыджгн = 120 с).

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Рис. 7. Значения диагностических параметров, Рис. 8. Зависимость уг от диагностических

вычисленные по токам утечки при уг = 18 мкСм

параметров

Использование этой формулы позволяет по вычисленным характеристикам импульсного тока утечки определить максимальную удельную поверхностную проводимость, которая характеризует степень загрязнения изоляции и определяет электрическую прочность внешней изоляции в условиях загрязнения.

Кроме того, были получены другие регрессионные модели зависимости максимальной удельной поверхностной проводимости от других факторов и их совокупностей. Однако приведенная выше модель позволяет наиболее достоверно оценивать электрическую прочность внешней изоляции, что было установлено в результате сравнения адекватности и коэффициентов детерминации полученных моделей.

По результатам третьей главы разработан алгоритм определения максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения на основе амплитудных значений тока утечки, представленный на рис. 9.

Четвертая глава посвящена разработке методики проверки фактической электрической прочности внешней изоляции контактной сети на соответствие условиям эксплуатации. В качестве критерия используется определенный в главе 1 коэффициент запаса электрической прочности.

Для описания разработанной методики на рис. 10 приведена ее блок-схема.

В блоке 1 выполняется расчет максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения по диагностическим параметрам тока утечки с использованием вышеупомянутого алгоритма по рис. 9.

Рис. 9. Алгоритм определения максимальной удельной поверхностной проводимости слоя

загрязнения по амплитудным значениям импульсного тока утечки

Рис. 10. Блок-схема методики проверки электрической прочности внешней изоляции контактной сети переменного тока на соответствие условиям эксплуатации

В блоке 2 вычисляются 50 % разрядное напряжение изоляционной конструкции 1/50%вр по полученной величине уг и разрядным характеристикам, известным для диагностируемого изолятора и содержащимся в модуле исходных данных (блок 3). В настоящее время такие характеристики получены для наиболее широко распространенных типов подвесных тарельчатых изоляторов и представляют собой зависимость от максимальной проводимости слоя загрязнения либо разрядных градиентов, либо непосредственно разрядных напряжений.

В блоке 4 производится расчет фактического коэффициента запаса диагностируемой изоляционной конструкции по (1), где в качестве наибольшего рабочего напряжения в КС принимается значение 29 кВ.

В блоке 5 производится расчет оптимального коэффициента запаса для диагностируемого фидерного участка контактной сети исходя из длины фидерного участка 1У, числа т изоляционных конструкций, работающих параллельно, годового числа опасных увлажнений попув1 и высоты местности над уровнем моря /г, от которой зависит атмосферное давление р. Для нахождения зависимости коэффициента запаса от всех этих параметров используется следующая формула:

\0,5

к 1

"■зопт ( л , \

0,001-¿у

У ^оп уел ' ^ j

р,

•с.

где ^„ос,р - обратная функция нормального распределения;

Сг— коэффициент вариации разрядных напряжений;

Ро - атмосферное давление на уровне моря, кПа.

В блоке 7 производится сравнение фактического коэффициента запаса, рассчитанного в блоке 4 на основании параметров тока утечки, с оптимальным к30пт, рассчитанным в блоке 5.

В случае если фактический коэффициент запаса электрической прочности меньше, чем оптимальный (кзф <к30„„), делается вывод о необходимости проведения профилактических мероприятий по восстановлению электрической прочности поверхности изоляции путем обмыва, очистки, обработки гидрофобными покрытиями или любым другим способом.

При к3ф> к30„т делается вывод о достаточной электрической прочности установленной изоляции, производится дальнейшее наблюдение за параметрами тока утечки.

На основании описанной блок-схемы разработана методика проверки электрической прочности внешней изоляции КС переменного тока на соответствие условиям эксплуатации.

Также в четвертой главе рассчитан годовой экономический эффект от повышения надежности внешней изоляции КС переменного тока при внедрении разработанной методики.

По результатам расчета, интегральный экономический эффект от совершенствования диагностики внешней изоляции контактной сети за счёт сокращения количества перекрытий изоляции с учётом затрат на разработку и внедрение составит 16726 тыс. руб. на тысячу километров развернутой контактной сети за 25 лет.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ показал, что наличие на поверхности изоляции слоя загрязнения приводит при его увлажнении к существенному снижению электрической прочности внешней изоляции систем электроснабжения железных дорог. При этом величина удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения, определяющая электрическую прочность изоляции, зависит как от параметров слоя загрязнения, так и от параметров потока увлажнения.

2. Разработанный лабораторный комплекс позволил моделировать увлажнения, близкие по характеристикам к природным туманам с интенсивностью увлажнения в интервале от 0,0016 до 0,007 мг-с'^см"2). При таком увлажнении поверх-

ности загрязненных изоляторов, находящихся под номинальным напряжением КС переменного тока, на ней наблюдались поверхностные частичные разряды. Режим интенсивного возникновения ПЧР был стабильным и наблюдался в течение продолжительного времени (до 1 часа).

3. В результате проведения высоковольтного эксперимента по регистрации токов утечки через загрязненные изоляторы были получены данные о мгновенных значениях тока утечки при различных сочетаниях интенсивности увлажнения и максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения.

4. В результате проведенного анализа и статистической обработки полученных экспериментальных данных был определен комплекс признаков, позволяющий вычислять удельную поверхностную проводимость слоя загрязнения. В данный комплекс входят такие параметры тока утечки, как среднее значение амплитуды импульсов тока утечки, вычисленное по 50 наибольшим по модулю значениям амплитуды тока утечки за 10-секундный интервал измерения; параметр Ло распределения Вейбулла-Гнеденко для интервалов между импульсами тока утечки, превышающими среднее двухсекундное значение амплитуды тока утечки. Разработанный алгоритм определения максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения по комплексу диагностических параметров тока утечки позволяет при доверительной вероятности 0,95 обеспечить погрешность не более 13,2 %.

5. Разработана методика, которая позволяет определять соответствие фактической электрической прочности внешней изоляции КС условиям ее эксплуатации по критерию коэффициента запаса электрической прочности на основании алгоритма определения максимальной удельной поверхностной проводимости слоя загрязнения.

6. Рассчитан экономический эффект от снижения неплановых перерывов движения поездов по причине перекрытий внешней изоляции в нормальном эксплуатационном режиме. Интегральный экономический эффект от приведения уровня изоляции к нормам составит 16726 тыс. руб. на тысячу километров контактной сети переменного тока за 25 лет.

Список работ, опубликованных по теме диссертации входящих

в перечень изданий, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертации

1. Комолов А. А. О возможности применения информации о токе утечки через поверхность загрязненной и увлажненной изоляции для целей диагностики ее электрической прочности / А. А. Комолов, В. М. Руцкий // Вестник транспорта Поволжья. - 2011. - № 2. - С. 60-65.

2. Комолов A.A. Проблемы эксплуатации высоковольтной изоляции в условиях загрязненной атмосферы / А. А. Комолов, С. В. Коркина, В. М. Руцкий // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Тематический выпуск. - 2010. - № 1. - С. 482-485.

3. Комолов А. А. Расчет потерь электроэнергии в электрических сетях из-за токов утечки / А. А. Комолов, С. В. Коркина, В. М. Руцкий // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Тематический выпуск. -2010. -№ 1.-С. 485^89.

Статьи в сборниках научных работ и материалах конференций, патенты

4. Комолов A.A. Метод экспресс-оценки электрической прочности высоковольтной изоляции наружных электроустановок, работающих в условиях загрязненной атмосферы / А. А. Комолов, В. М. Руцкий // Вестник СамГУПС. -2009. — Вып. 1-С. 75-81.

5. Комолов А. А. Электрическая прочность высоковольтных изоляторов для проектируемых линий эстакадного транспорта / А. А. Комолов, В. М. Руцкий // Актуальные проблемы автотранспортного комплекса : межвуз. сб. науч. статей. - Самара : Самар.гос.техн.ун-т, 2009. - С. 131-133.

6. Комолов A.A. Исследование зависимости электрической прочности высоковольтных изоляторов от их геометрических параметров / А. А. Комолов,

B. М. Руцкий // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии : сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. - Тольятти : ТГУ, 2009. -

C.258-262.

7. Комолов A.A. Возможность определения степени загрязнения подвесных тарельчатых изоляторов по характеристикам токов утечки в загрязненном и увлажненном состоянии / А. А. Комолов // Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта: сб. науч. статей с междунар. участием. — Омск : Омский гос. ун-т путей сообщения, 2011. - С. 151-160.

8. Комолов А. А. Экспресс-оценка электрической прочности высоковольтных изоляторов / А. А. Комолов // Сб. материалов XXXVI науч. конф. студентов и аспирантов. — Вып. 9. - Самара: Самарский гос. ун-т путей сообщения, 2009,- С. 55-56.

9. Комолов А. А. Отработка метода диагностики загрязненной поверхности внешней изоляции с использованием ЭОД «Филин—б» / А. А. Комолов // Сб. материалов XXXVII науч. конф. студентов и аспирантов. — Вып. 10. - Самара : Самарский гос. ун-т путей сообщения, 2010. - С. 37-38.

10. Пат. 107368 Рос. Федерация : МПК в 01 Я 31/02. Система мониторинга состояния изоляции / Комолов А. А., Руцкий В. М.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения». — № 103768 ; заявл. 21.03.2011 ; опубл. 10.08.2011, Бюл. № 22. - 1 с.: 1 ил.

Совершенствование диагностики внешней изоляции систем электроснабжения железных дорог на основе параметров тока утечки

Специальность 05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Комолов Александр Александров!!1

Подписано в печать 23.03.2012. Формат 60*90 */16. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 67.

Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения. 443022, г. Самара, Заводское шоссе, 18.