автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование технического обслуживания кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей

На правах рукописи

СЛЕПТЕРЕВА Надежда Константиновна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ КАБЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕТЯГОВЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Омск 2014 005554657

005554657

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор КАНДАЕВ Василий Андреевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЗАКАРЮКИН Василий Пантелеймонович -

профессор кафедры «Электроэнергетика транспорта» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС)»;

кандидат технических наук, доцент ОЩЕПКОВ Владимир Александрович -

доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет (ОмГТУ)».

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учрежде-

ние высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет (НГТУ)».

Защита диссертации состоится 30 декабря 2014 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения» (ОмГУПС (ОмИИТ)) по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения и на сайте ОмГУПСа по ссылке: http://www.omgups.ru/diss/sovet/sIeptereva.html

Автореферат разослан 29 октября 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

О. А. Сидоров.

Омский гос. университет путей сообщения, 2014

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Электроэнергия расходуется как на тягу поездов, так и потребляется всеми службами железных дорог, связанными с эксплуатацией и обслуживанием подвижного состава, машин и механизмов, для питания электрооборудования депо, промышленных предприятий, линейных устройств автоблокировки, освещения станций, являющихся нетяговыми потребителями, бесперебойная работа которых зависит от надежности работы кабельных линий. Особенностью кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей является их расположение в условиях влияния блуждающих токов электрифицированного железнодорожного транспорта.

В настоящее время очевидны преимущества использования кабелей в полимерном изолирующем покрытии. Недостатком полимерного изолирующего покрытия является его низкая механическая прочность, обусловливающая повреждаемость при транспортировке, укладке и эксплуатации кабеля.

В случае повреждения полимерного изолирующего покрытия токоведущей жилы или оболочки кабель быстро выходит из строя по причине коррозии. Если трасса кабеля проходит в зоне распространения блуждающих токов электрифицированного железнодорожного транспорта, процесс коррозии ускоряется. В этом случае в месте повреждения изоляции кабеля между металлической оболочкой (или жилой) и землей образуется значительная разность потенциалов. В случае повреждения изолирующего покрытия между жилами или жилой и оболочкой кабеля возникает аварийный режим работы системы электроснабжения. Поэтому одной из важнейших задач технического обслуживания кабелей является оперативное и точное определение места повреждения и его устранение.

Кабельные линии являются одним из основных элементов системы электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей, надежность работы которой оказывает непосредственное влияние на безопасность функционирования железнодорожного транспорта. Согласно «Энергетической стратегии холдинга «Российские железные дороги» на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года» и «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» повышение уровня безопасности функционирования железных дорог является важным государственным приоритетом развития и модернизации отрасли, научных исследований и текущей эксплуатационной работы.

Степень разработанности проблемы. Существующие методы и средства не позволяют с достаточной точностью определять места повреждения кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей в условиях

функционирования электрифицированного железнодорожного транспорта, поэтому задача разработки методов и совершенствования аппаратуры поиска мест повреждения кабелей актуальна и связана с решением сложных задач, которые базируются на фундаментальных положениях многих дисциплин: теоретической электротехники, теории электрических цепей, электродинамики, электрохимии, геофизики и др. Работы многих отечественных специалистов в разное время были посвящены решению как общих задач, так и задач, непосредственно связанных с обоснованием методов поиска повреждения кабелей и их усоверщенствованием. Данные вопросы рассматриваются в работах М. П. Бадера, Ю. И. Жаркова, А. В. Ефимова, Ю. П. Неугодникова, В. Д. Бардушко, А. X. Мусина, В. А. Ощеп-кова, А. В. Котельникова, В. Е. Качесова, В. 3. Манусова, Е. С. Колечицкого, Б. Е. Дынькина, А. Б. Косарева, А. Н. Марикина и многих других.

Цель диссертационной работы - совершенствование технического обслуживания кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей за счет применения новых способов и аппаратных средств поиска мест повреждения.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) определить опасность коррозии для алюминиевой оболочки кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей в условиях действия электрифицированного железнодорожного транспорта постоянного и переменного тока;

2) определить электрические параметры токоведущих жил с учетом их взаимного влияния и электрические параметры металлической оболочки кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей; определить параметры границы раздела «металл - электролит» для металлических элементов кабеля;

3) выполнить расчет распределения измерительного сигнала в цепи «жила - оболочка», «жила - земля», «оболочка - земля» для кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей с поврежденным изолирующим покрытием;

4) определить распределение составляющих электромагнитного поля на поверхности земли над кабелем электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей с поврежденным изолирующим покрытием;

5) разработать метод и усовершенствовать аппаратуру поиска мест повреждения кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей.

Объект исследования — кабели электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей.

Предмет исследования - повреждаемые элементы кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) предложена методика определения полного переходного сопротивления для алюминиевых элементов кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей в местах повреждения его полимерного изолирующего покрытия путем разложения в ряд Фурье импульсного сигнала; определены параметры границы раздела «металл - электролит» для алюминиевых элементов кабеля, что позволило учесть их в полном переходном сопротивлении повреждения;

2) получены аналитические выражения для расчета распределения изме-' рительного сигнала в токоведущих элементах кабеля с учетом их взаимного влияния; определены составляющие электромагнитного поля на поверхности земли системы проводников с поврежденным изолирующим покрытием;

3) разработан метод поиска повреждения кабеля по значению переходной проводимости изоляции кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей; усовершенствована аппаратура поиска мест повреждения типа «жила - оболочка», «оболочка - земля» и «жила - земля», реализующая бесконтактный метод с использованием амплитудно-модулированного сигнала и контактный метод по величине потенциала поверхности земли от тока, стекающего через изолирующее покрытие кабеля.

Практическая ценность работы:

1) определено полное переходное сопротивление в местах повреждения полимерного изолирующего покрытия для алюминиевых элементов кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей путем разложения в ряд Фурье импульсного сигнала; определены параметры границы раздела «металл - электролит» для алюминиевых элементов кабеля, что позволило учесть их в полном переходном сопротивлении повреждения при разработке методов и усовершенствовании аппаратуры поиска мест повреждения кабелей;

2) разработан метод и усовершенствована аппаратура поиска мест повреждения кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей, позволяющие определять точное место повреждения в условиях работы электрифицированного железнодорожного транспорта.

Реализация результатов работы. Разработанный метод поиска мест повреждения кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей, позволяющий определять точное место повреждения кабеля электроснабжения в условиях работы электрифицированного железнодорожного транспорта, внедрен на Омской дистанции электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги.

Методы исследования. При исследовании применялись теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования выполнены с использованием фундаментальных положений теоретических основ электротехники и

теории длинных линий, математического моделирования с применением математического пакета МаЛсас!. Обработка экспериментальных данных выполнялась с привлечением методов математической статистики и регрессионного анализа.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) предложен метод определения параметров границы раздела «металл -электролит» с использованием импульсного сигнала;

2) аналитические выражения для расчета распределения измерительного сигнала в токоведущих элементах кабеля с учетом их взаимного влияния;

3) разработанный метод и усовершенствованная аппаратура поиска повреждения кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей.

Достоверность научных положений и результатов, полученных в диссертационной работе подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 10 %.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на II региональной молодежной научно-технической конференции «Омский регион - месторождение возможностей» (Омск, 2011); международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» (Курск, 2011); всероссийской молодежной конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (Томск, 2012); международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2012» (Одесса, 2012); всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие железнодорожного транспорта России» (Омск,

2012); всероссийской научно-технической интернет-конференции с международным участием «Надежность функционирования и информационная безопасность телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта» (Омск,

2013); на технических семинарах кафедр ОмГУПСа.

Личный вклад соискателя. Выполнение экспериментальных исследований параметров границы раздела сред «металл - электролит» с использованием импульсного сигнала; получение аналитических выражений для расчета распределения измерительного сигнала в системе однопроводных линий с учетом их взаимного влияния; выполнение экспериментальных исследований электромагнитных помех на тяговых подстанциях Западно-Сибирской железной дороги; разработка метода и усовершенствование аппаратуры поиска мест повреждения кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей в условиях работы электрифицированного железнодорожного транспорта.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 11 статей, пять из которых - в изданиях, входящих в перечень, утвержденный ВАК РФ, один патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 109 наименований и содержит 139 страниц, 50 рисунков, 21 таблицу и три приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследований, представлены основные результаты, выносимые на защиту, обоснованы научная новизна и практическая значимость исследования.

В первом разделе определена коррозионная опасность кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей в полимерном изолирующем покрытии и рассмотрены существующие методы поиска мест повреждения кабелей.

Для оценки коррозионной опасности кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей, подверженных влиянию электротяги постоянного и переменного тока, составлены схемы замещения и проведен расчет распределения потенциала по длине кабеля. Результаты расчета показали, что потенциал на оболочке кабеля значительно превышает границы защитного потенциального диапазона (от минус 1,38 В до минус 0,85 В), рекомендованного нормативно-технической документацией, что может приведет к ускорению процесса коррозии при повреждении изолирующего покрытия. Причем даже незначительное смещение потенциала на алюминиевой оболочке влечет резкое увеличение коррозионного тока и коррозионных потерь металла, что вызывает разрушение металлической жилы или оболочки кабеля.

Анализ существующих методов поиска мест повреждений показал, что в условиях действия электрифицированного железнодорожного транспорта они не позволяют с достаточной точностью определять место повреждения изоляции кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей, поэтому задача разработки методов и совершенствования аппаратуры для поиска мест повреждения кабеля является актуальной.

Во втором разделе определены электрические параметры токоведущих жил с учетом их взаимного влияния и электрических параметров металлической оболочки кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей.

Параметры токоведущих жил и оболочки кабеля определены по известным выражениям для цилиндрического и сплошного трубчатого проводника. Продольное сопротивление металлического защитного покрова, выполненного из спирально наложенных лент, зависит от материала и угла наложения лент.

Проводник

Изолирующее покрытие

Взаимные параметры определены с учетом геометрического расположения жил и оболочки кабеля.

Для расчета распределения тока и напряжения по длине кабеля при повреждениях типа «оболочка — земля» или «жила — земля» кабеля без металлических покровов определено полное переходное сопротивление в месте повреждения, представленное как последовательное соединение сопротивления растеканию и комплексного сопротивления границы раздела сред «металл — электролит», состоящего из параллельного соединения сопротивления Игр и емкости С^ границы раздела сред, возникающего при контакте оголенного участка металлического проводника с водным раствором электролитов, и стационарного потенциала Ес (рис. 1).

В соответствии с эквивалентной электрической схемой полное переходное сопротивление

б:

Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема замещения границы раздела сред «металл - электролит»

Ъ =

1+<а С1я1 р

(1)

Так как параметры границы раздела сред зависят от многих факторов и отсутствует достоверная математическая модель этой зависимости, они определены экспериментально (рис. 2). Алюминиевый электрод помещался в раствор электролита, в качестве которого использовались дистиллированная и водопроводная вода и трехпроцентный раствор ЫаС1. Параметры границы раздела «металл - электролит» определены с использованием импульсных сигналов с последующим разложением в ряд Фурье и определением спектрального состава импульсов тока и напряжения.

Комплексное сопротивление электрохимической ячейки

и2(0'Кщ

и,(0

(2)

где Ц2 (:?) - спектр напряжения на электрохимической ячейке, В; О] (1) - спектр напряжения на шунте, В; - сопротивление шунта, Ом.

Изоляция

Вспомогательный электрод

Комплексное сопротивление границы раздела «металл -электролит»

г^П-Яс, (3)

где Яс - сопротивление среды

в ячейке.

Температура раствора определялась с помощью датчи-Рис. 2. Схема измерения параметров границы ^ те ; температУр-

раздела «металл - электролит»: ОС - осциллограф; ДТ - датчик температуры; ныи режим задавался с помо-- сопротивление шунта; ГИ - генератор щью холодильной камеры.

прямоугольных импульсов Результаты эксперименталь-

ных исследований зависимости сопротивления и емкости границы раздела «металл -электролит» от температуры для электродов из алюминия в водопроводной воде с

удельным сопротивлением р = 35 Ом-м приведены на рис. 3. 8000г "

Ом-см

4000

/=| Гц

10

об ,100 5

Рис. 3. Зависимость сопротивления (а) и емкости (б) границы раздела «металл - электролит» от температуры

Для электрода из алюминия получены зависимости сопротивления и емкости границы раздела «металл - электролит»:

м

ЯА1 = ехр

Ш

•с-^ А1

Еа 1р

V 1=1

1{ ''3

С^=ехр

п, м м ►

¡1п(р) 1,1 ад ,>21П(1)

(4)

(5)

где аА1 (3А1 - коэффициенты регрессионного уравнения; р, 1 - удельное сопротивление и температура среды, Ом-м, °С; ^частота сигнала, Гц; т - количество членов регрессионного уравнения, зависящее от порядка регрессионного уравнения и количества факторов; М - матрица, элементами которой являются значения степеней, в которые возводятся факторы.

Адекватность моделей проверена с использованием критерия Фишера, полученные модели можно считать адекватными с доверительной вероятностью 95 %.

Результаты расчетов модуля и фазы полного переходного сопротивления по формуле (1) в месте повреждения полимерного изолирующего покрытия площадью в = 10"3 м2 алюминиевой оболочки кабеля приведены на рис. 4.

0,1

град

110

Ф(2) МО"

2

1

10 100

Гц МО'

10

100 г —

Гц

•10'

Рис. 4. Изменение модуля (а) и фазы (б) полного переходного сопротивления в месте повреждения оболочки кабеля: 1 - для проводимости среды 0,1 См/м; 2 - 0,02 См/м; 3-0,01 См/м

Анализ полученных выражений и результатов показал, что полное переходное сопротивление металлических элементов кабеля в месте повреждения является комплексной величиной и зависит от площади повреждения изолирующего покрытия, удельного сопротивления среды и частоты тока и изменяется в широких пределах.

В третьем разделе выполнен расчет распределения измерительного сигнала тока и потенциала по длине кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей без повреждений и при различных видах повреждений.

Распределение тока и напряжения по длине для трех проводников описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

-Ш|(ХЦк.,+|соЬ,)1, (х)+(х)+]шМ|313 (х);

Эх

-^%^=(Яз+]иЬз)1з(х)+]тМз,1, (х)+]соМ3212(х);

Эх

.М0=(О;+]03С;)и|(х)-(С]2+]®С|2)и2(х)-(О1з+]й)С1з)из(х);

ах

АМ=(о; ) и2 (х) - (С21 +]тС2|) и, (х) - (С23 +]ШС23) и, (х); Эх

-^^=(о;+]шс;)и3(х)-(о3|+]сос3])и1(х)-(о32+]шсз2)и2(х), Эх

(б)

где И,, Яз. и, и, и, в,, С2, С3, С,, С2, С3 - собственные продольные параметры проводников; С12, 02Ь в3и С,2, С2Ь С3ь М12, М2Ь М31 - взаимные параметры между проводниками, о;=о,+ои; с;=с,.+с1Г

Получены уравнения для определения распределения тока и напряжения для одного проводника с учетом взаимного влияния соседних:

С Ц, (х)=и1нсЬ(к,х) -гД^Кк.х)+л.Ц^сКк.х) - 1;нзЬ(к2х);

1,(х)=-—и)нзЬ(к1х)+11нсЬ(к1х)+-Ъ-и;н8Ь(к2х)-т121;нсЬ(к2х), 2а ь

и,(0)-Л,(Ц2(0)+из(0)) т 11(0)+Л2(12(0)+1з(0)). где --; 1,н 1-тьть

и

, _ Ц2(0)+из(0)-Л2и,(0)^ 12(0) + 13(0)+л11,(0), ъ _К+]соЬ-]соМл,;

_К+]со(Ь+М-2Ц2М)

ь= £ ; к'1

)О2-Уо^+4Б2(Е20,-Е102) 2Е,

1-Т1,Л2

к,

02+Л/022+4Е2(Е20;

-е,О2;

л,

2Е„

Е2 _ М2 к2 -Е, ' Т'1 к2

N.

"2 —I 2

Уравнения для расчета распределения тока и напряжения для остальных

проводников системы аналогичны.

Анализ показал, что расчет распределения тока и напряжения по длине кабеля с учетом наличия повреждений является частным случаем решения уравнений (6). При л, = 0 и т]2 = 0 выражения (7) сводятся к уравнениям однородной линии.

Для расчета распределения тока и напряжения при повреждении типа «жила - оболочка» и «оболочка - земля» составлены схемы замещения (рис. 5). Для исключения отражений от конца линии жила и оболочка нагружены на

волновые сопротивления. и

2,5 км

гю^и Жила

кабеля |гн ж

¿.ПОвр

Ш

. Ца.11м.; Оболочка кабеля

Еноб

|2н 0б Ъ вхоб и Ъ вхоб Ь

ии

Рис. 5. Схема замещения цепи «жила - оболочка» (а) и «оболочка - земля» (б) с повреждением изолирующего покрытия

В случае повреждения типа «оболочка-земля» или «жила-земля» металлическая оболочка кабеля электроснабжения в полимерном изолирующем покрытии или токоведущая жила кабеля без металлических покровов представ-ляет собой однопроводную линию с распределенными по ее длине параметрами (рис. 5, б).

Результаты расчета распределения синусоидального сигнала по оболочке кабеля АПвАШв 3x95 для повреждения типа «оболочка - земля», расположенного на середине участка кабеля длиной 5 км, на частоте 30 Гц представлены на рис. 6. Площадь повреждения 10"3 м2, напряжение генератора 100 В, оболочка на конце изолирована.

а б

Рис. 6. Изменение тока (а) и его фазы (б) в месте повреждения изолированной оболочки кабеля

Для систем «жила - земля» и «оболочка - земля» рассчитано распределение амплитудно-модулированного сигнала (АМ-сигнала). Результаты показали, что изменение амплитуды тока и его фазы на несущей частоте и на боковых частотах в местах повреждения значительно, при этом модулирующая АМ-сигнала не получает приращения по фазе.

Анализ полученных результатов расчета показал, что в месте повреждения величина изменения амплитуды и фазы тока при разных типах повреждений получает приращение до 90 % по сравнению с участками без повреждения.

В четвертом разделе определено распределение составляющих электромагнитного поля, предложен метод и представлены способы усовершенствования функциональных схем аппаратуры поиска мест повреждения кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей.

Для разработки методов и обоснованного выбора параметров аппаратуры поиска мест повреждения кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей необходимо определить изменение напряженности магнитного поля и потенциала поверхности земли от тока в кабеле и тока, стекающего с кабеля в землю.

Результирующий потенциал на поверхности земли определяется как суперпозиция потенциалов, создаваемых током утечки через изолирующее покрытие кабеля и током, стекающим в месте повреждения:

(р(М) = фи(М)+£<рП1(М), (8)

где ф(М) - потенциал поверхности земли в точке М, В; ф„(М) - потенциал поверхности земли, создаваемый током утечки через изолирующее покрытие кабеля, В; фп.(М) - потенциал поверхности земли, создаваемый током ¡-го повреждения, В;

п - количество повреждений.

Потенциал поверхности земли, создаваемый током, стекающим в месте повреждения с координатами (б; 0; 0), в точке с координатами (х; у; г) (при г = Ь), можно вычислить по формуле:

^ 27111

где р - удельное сопротивление земли, Ом-м; I - ток, стекающий в месте повреждения, А; Я = ^х-ь)2 + у2+Ъ.2 ; Ь - глубина закопки кабеля, м.

Потенциал поверхности земли от тока, стекающего через изолирующее

покрытие кабеля, _

Ь - х + -У(Ь - х)2 + у2 + Ь

Фи=вМ1п 2%

, __, (Ю)

ф^-у2+Ъ2 -х

где Хх) - плотность тока утечки через изолирующее покрытие кабеля, А/м;

Ь - длина элемента кабеля, м.

Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие правильность расчета потенциала поверхности земли над кабелем с повреждением типа «оболочка - земля». В качестве источника гальванического потенциала использовалась металлическая сфера с площадью поверхности, эквивалентной площади повреждения изоляции кабеля. В грунт на глубину 0,8 м помещался точечный источник гальванического потенциала, на него через изолированный проводник подавалось питание, с помощью реостата устанавливалось и поддерживалось постоянное значение тока. Селективным вольтметром

измерялся потенциал поверхности земли.

На рис. 7 показано изменение потенциала на поверхности земли в окрестности повреждения типа «жила - оболочка» на частоте 50 кГц и «оболочка-

земля» на частоте 30 Гц.

Анализ результатов расчета показал, что в месте повреждения кабеля

потенциал поверхности земли имеет максимальное значение. Это позволяет

определить место повреждения кабеля электроснабжения нетяговых

железнодорожных потребителей. Расхождение экспериментальных данных и

теоретических расчетов потенциала поверхности земли над кабелем с

повреждением типа «оболочка - земля» не превысило 10 %.

260Г

а б

Рис. 7. Потенциал поверхности земли над кабелем с повреждением «жила - оболочка» (а) и «оболочка - земля» (б): 1 - расчетное значение; 2 - экспериментальные данные

Напряженность магнитного поля над кабелем определена по следующим формулам:

I

з к

а3Х

+

о2тс1° а3Х

2(а3 + ав)

^--Хе-

2(а3 + ав)

= I

о 1 |_< 2(а3 +ав)

■Хе

(П)

(к;

X

2(а3 +ав)

—Хе

Н[|)(Лг)с1>и +

Я

(12)

ds,

где г = -^(х-б)2 +(у-у')2 ; э и у' - координаты элементарного источника; х, у, ъ - координаты точки наблюдения; а, = у]х2 ;а„ = ^/X2 + ш2 ; Н^0, Н® и Н]2) - функции Ганкеля первого и второго рода; Ь - глубина закопки кабеля; Я-л/г2 + г2.

Вектор напряженности

Н=7Н2+Н2 . (13)

Напряженность магнитного поля над кабелем определяется суперпозицией полей отрезков до и после места повреждения. Напряженность магнитного поля на поверхности земли от кабеля с защитными металлическими покровами рассчитывается с учетом коэффициента экранирования.

Результаты расчета напряженности магнитного поля над кабелем при повреждениях типа «жила - оболочка» и «оболочка - земля» представлены на рис. 8.

Рис. 8. Изменение напряженности магнитного поля и его фазы в окрестности повреждения «жила - оболочка» на частоте 4970 Гц (а, б) и «оболочка - земля»

на частоте 30 Гц (в, г)

Результаты расчета показывают, что в окрестности повреждения происходит значительное изменение напряженности магнитного поля как по амплитуде, так и по фазе, составляющее 40 - 90 % по сравнению с участками кабеля без повреждений. В системе «жила - оболочка» такое изменение происходит за счет экранирования металлической оболочки. Выбор частот, на которых проводились расчеты, обусловлен максимальным изменением параметров измерительного сигнала в месте повреждения с учетом электромагнитных помех на территорий тяговых подстанций и вдоль пути электрифицированной железной дороги.

Выполнены экспериментальные исследования электромагнитных помех на тяговых подстанциях, показавшие, что напряженность магнитного поля помехи на частотах 50 и 300 Гц в некоторых точках на территории подстанции постоянного тока достигает 1,5-2 А/м. На частотах меньше 50 Гц и выше 950 Гц значения помех не превышают 5 мАУм. Напряженность магнитного поля помехи на частоте 50 Гц на территории подстанции переменного тока достигает 6,5-7 А/м.

На основе полученных результатов расчета разработан метод и усовершенствована аппаратура поиска мест повреждений типа «жила - оболочка»,

«оболочка — земля» и «жила — земля» для кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей.

Функциональная схема усовершенствованной аппаратуры с использованием АМ-сигнала, реализующая индукционный метод, представлена на рис. 9.

пользованием АМ-сигнала: 1 - задающий генератор; 2, 3 - делители частоты; 4 - модулятор; 5 - усилитель мощности; 6 - согласующее устройство; 7 - генераторная часть; 8 - изолированная металлическая оболочка кабеля; 9 - датчик магнитного поля; 10 - избирательный усилитель; 11 - полосовой фильтр; 12 - делитель частоты;13 - детектор; 14 - фазометр; 15 - индикатор; 16 - приемная часть;

17 — повреждение изоляции

Генераторная часть обеспечивает подачу АМ-сигнала с несущей и модулирующей частотами ^ и £г, получаемыми на выходе делителя частоты 2 и 3 соответственно. Оператор, передвигаясь вдоль трассы кабеля, с помощью приемной части фиксирует значения напряженности магнитного поля на поверхности земли над кабелем. О повреждении изоляции кабеля судят по приращению разности фаз, которое происходит в месте повреждения, между сигналами с частотой (2' один из них выделен детектором 13, а второй получен делением сигнала несущей частоты ^ Преимуществом предложенной усовершенствованной аппаратуры является отсутствие необходимости синхронизации приемной и генераторной частей.

Для поиска повреждения типа «жила — оболочка» предложено использовать сигнал с частотой 50 кГц. Результаты расчета изменения потенциала поверхности земли показали, что с увеличением частоты сигнала повышается значение потенциала над местом повреждения за счет утечки тока через изоляцию оболочки.

Поиск места повреждения происходит следующим образом. Генератор подключается между поврежденной жилой и землей, другой конец жилы и оболочка с двух сторон для исключения отражений нагружаются на соответст-

вующие волновые сопротивления. Оператор, проходя по трассе кабеля, с помощью приемного устройства фиксирует изменение потенциала на поверхности земли от тока, стекающего с оболочки кабеля. Место повреждения изоляции определяется по максимальному значению потенциала поверхности земли.

Для сокращения времени поиска мест повреждения изолирующего покрытия кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей предложен метод поиска места повреждения кабеля по переходной проводимости-. Измерения проводят на поверхности земли и на высоте «а» в начале и конце участка длиной Ь, выделенного для измерения, рассчитывают глубину залегания кабеля Ь, и Ь2 в начале и конце участка кабеля (рис. 10).

н'.ГгкГИ-га-ГЛ нО-ЛТ-И-

Рис. 10. Функциональная схема аппаратуры поиска мест повреждения по значению переходной проводимости: 1, 2 - датчики напряженности магнитного поля; 3 - устройство обработки сигналов; 4 - устройство принятия решений; 5 - индикатор; 6 - генератор переменного тока; 7 - кабель; 8 - повреждение изоляции Проводимость исследуемого участка кабеля

НА у

(14)

иг

где Ъ - продольное сопротивление кабеля.

Полученное значение проводимости изоляции У сравнивают с проводимостью неповрежденного кабеля Ун электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей, большее ее значение (У > У„) свидетельствует о наличии повреждения кабеля на данном участке. Затем участок делят на две части длиной Ь, и Ь2 (в частном случае равные) и повторяют измерения до достижения необходимой длины участка, на котором находится повреждение.

Рассчитан чистый дисконтированный доход от применения предложенной аппаратуры поиска мест повреждений кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей, который составил 635 тыс. р. Срок окупаемости затрат - 17 месяцев.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Определено, что на оболочке кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей могут создаться потенциалы, значения которых превышают границы защитного диапазона (-1,38-^—0,85 В), безопасного в отношении коррозии. Таким образом, эти кабели подвержены высокой коррозионной опасности в условиях действия электрифицированного железнодорожного транспорта.

2. Определены параметры токоведущйх жил с учетом их взаимного влияния и параметры металлической оболочки кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей. Определены параметры границы раздела «металл — электролит» для металлических элементов кабеля в местах повреждения изолирующего покрытия и составлены их математические модели, учитывающие зависимость от частоты тока в диапазоне от 1 до 1000 Гц, температуры в диапазоне от 0 до 25 °С и удельного сопротивления среды'от 0,12 до 103 Ом-м.

3. Выполнен расчет распределения измерительного сигнала в кабеле электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей с поврежденным изолирующим покрытием в цепи «жила - оболочка», «жила — земля», «оболочка -земля». Показано, что в месте повреждения изолирующего покрытия кабеля сила тока получает приращение как по фазе, так и по амплитуде, имеющее значение до 90 % от первоначального в зависимости от вида повреждения и частоты.

4. Выполнен анализ распределения составляющих электромагнитного поля над кабелем электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей с поврежденным изолирующим покрытием, который показал, что в месте повреждения потенциал поверхности земли имеет максимальное значение, по изменению напряженности магнитного поля в месте повреждения изолирующего покрытия можно определить место повреждения изоляции кабеля с достаточной для практики точностью.

5. Разработан метод поиска повреждения кабеля по значению переходной проводимости изоляции кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей; усовершенствована аппаратура поиска мест повреждения изоляции кабеля, реализующая бесконтакпгый метод поиска с использованием амплитудно-модулиро-ванного сигнала и контактный метод по величине потенциала поверхности земли. Ожидаемый чистый дисконтированный доход за период эксплуатации в пять лет аппаратуры поиска мест повреждения составляет 635 тыс. р. Срок окупаемости затрат составляет 17 месяцев.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Кандаев В. А. Оценка коррозионной опасности алюминиевых кабелей в полимерном изолирующем покрове в условиях работы электрифицированного железнодорожного транспорта / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, Н. К. Слеп-терева // Известия Транссиба. 2012. № 3(11). С. 59 - 65.

2. Слептерева Н. К. Моделирование средствами Ма^аЬ/БтиПпк работы аппаратного комплекса для поиска мест повреждения кабелей / Н. К. Слептерева, Ю. М. Елизарова // Известия Транссиба. 2012. № 4(12). С. 122 - 128.

3. Слептерева Н. К. Экспериментальные исследования электромагнитных помех на тяговых подстанциях / Н. К. Слептерева, А. О. Сырецкая, К. С. Зуб // Известия Транссиба. 2013. №1 (13). С. 64 - 69.

4. Слептерева Н. К. Распределение токов и напряжений в системе трех однопроводных линий с учетом их взаимного влияния / Н. К. Слептерева, К. В. Авдеева, А. А. Медведева // Известия Транссиба. 2014. № 1(17). С. 30 - 42.

5. Кандаев В. А. Расчет напряженности магнитного поля над кабелем с повреждением / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, Н. К. Слептерева // Известия Транссиба. 2014. №2 (18). С. 60 - 65.

Статьи в других изданиях:

6. Авдеева К. В. Устройство определения трассы и места повреждения кабеля / К. В. Авдеева, Н. К. Слептерева // Материалы П региональной молодежной научно-технической конференции 14-17 апреля 2011г. Омский регион - месторождение возможностей / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. С. 148 - 149.

7. Слептерева Н. К. Современные материалы в кабельной технике / Н. К. Слептерева // Материалы международной научно-практической конференции «Современные материалы, техника и технология» / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011. С. 305 -308.

8. Слептерева Н. К. Определение коррозионной опасности кабелей от блуждающих токов / Н. К. Слептерева // Химическая физика и актуальные проблемы энергетики: сборник тезисов и статей Всероссийской молодежной конференции / Томский политехи, ун-т. Томск, 2012. С. 266 - 269.

9. Слептерева Н. К. Коррозионное состояние кабелей электроснабжения в алюминиевых оболочках / Н. К. Слептерева, А. М. Ерита // Сборник научных трудов БшогЫ. Материалы международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2012» - Вып. 3. Т. 1./Одесса: Куприенко, 2012.С.41 -44.

10. Слептерева Н. К. Совершенствование аппаратных средств поиска мест повреждения кабелей /Н. К. Слептерева, В. С. Черноусова, Ю. М. Ели-

зарова // Инновационное развитие железнодорожного транспорта России: Материалы всероссийской научно-практической конференции / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 96 - 100.

11. Кандаев В. А. Переходное сопротивление в местах повреждения полимерного изолирующего покрытия кабеля / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, Н. К. Слептерева // Надежность функционирования и информационная безопасность телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. С. 119 - 127.

Патенты:

12. Пат. 139781 Российская Федерация, МПК7 С 01 Я 31/08. Устройство определения места повреждения изоляции кабеля / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, Н. К. Слептерева; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Омский гос. ун-т путей сообщения. - №3014100865/28; заявл. 10.01.14; опубл. 20.04.14, Бюл. №11.

Типография ОмГУПСа. 2014. Тираж 100 экз. Заказ 594. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35