Совершенствование методов диагностирования изоляторов в электрических сетях постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Кузьменко Антон Юрьевич

• Кузьменко Антон Юрьевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Кузьменко Антон Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ИЗОЛЯТОРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

1.1 Классификация основных методов диагностирования изоляторов контактной сети

1.2 Тестовое диагностирование

1.2.1 Испытание изоляторов повышенным напряжением

1.2.2 Определение активного сопротивления изоляторов

1.2.3 Определение тангенса угла диэлектрических потерь

1.3 Функциональное диагностирование с использованием внешних средств

1.3.1 Дефектировка измерительной штангой

1.3.2 Электронно-оптическая дефектоскопия

1.3.3 Тепловизионная дефектоскопия

1.3.4 Диагностирование методами просвечивания

1.4 Выводы по 1 главе

2 СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ УСТРОЙСТВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНИЯХ С ЕМКОСТНОЙ НАГРУЗКОЙ

2.1 Задачи повышения надежности контактной сети

2.2 Основные виды технического обслуживания

2.3 Статистический анализ причин отказов устройств контактной сети на дистанциях ОАО РЖД

2.4 Исследование природы возникновения повреждений в изоляторах

2.5 Волновые процессы в линии с распределенными параметрами

2.6 Выводы по 2 главе

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

НА ИЗОЛЯТОРЫ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

3.1 Импульсные методы определения места повреждения в линиях

3.2 Метод ОМП на основе внешних предварительно заряженных конденсаторов

3.3 Определение первичных параметров участка линии

3.4 Моделирование процесса диагностирования в программе Ми1^т

3.5 Выводы по 3 главе

4 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА И МЕТОДИКИ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯТОРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

4.1 Результаты информационно-патентного поиска

4.2 Разработка структурной схемы устройства дистанционного диагностирования изоляторов

4.3 Разработка принципиальной схемы прибора

4.3.1 Высоковольтное зарядное устройство

4.3.2 Система управления коммутационным реле

4.3.3 Измерительная часть

4.4 Методика проведения экспериментальных исследований на действующем полигоне железнодорожной техники ОмГУПС

4.5 Выявление основных диагностических параметров на основе экспериментальных исследований

4.6 Выводы по 4 главе

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ГИРЛЯНДЕ ИЗОЛЯТОРОВ

5.1 Теория распределения напряженности электростатического поля на гирлянде подвесных изоляторов

5.2 Моделирование распределения напряженности электростатического поля в программе Е1си

5.3 Измерение напряженности электростатического поля на гирлянде подвесных изоляторов

5.4 Разработка технического решения бесконтактного диагностирования гирлянд изоляторов

5.5 Общий алгоритм двухступенчатой системы диагностирования подвесных

фарфоровых изоляторов

5.6 Расчет технико-экономического эффекта от внедрения системы двухступенчатого диагностирования изоляторов контактной сети

5.7 Выводы по 5 главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов диагностирования изоляторов в электрических сетях постоянного тока»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Электроэнергетическая система представляет собой сложный энергетический комплекс, задачей которого является обеспечение экономичного и надежного производства электроэнергии, ее транспортировки и снабжения потребителей электроэнергией в необходимом для потребителей количестве и требуемого качества. Повышение уровня безопасности функционирования энергетических систем является важным государственным приоритетом развития и модернизации отрасли, научных исследований и текущей эксплуатационной работы. Безопасность системы электроснабжения напрямую зависит от надежной работы электрической сети, одним из примеров которой является контактная сеть железных дорог постоянного тока.

Анализ работы хозяйства электроснабжения показал, что больше всего отказов приходится на повреждение изоляции. Изолятор - это один из наиболее ответственных и самых ненадежных элементов контактной сети. Значительные динамические удары и вибрации в момент прохода электроподвижного состава способствуют быстрому старению изоляторов. При наличии запаса по электрической прочности полное повреждение одного из изоляторов в гирлянде может не вызывать сразу нарушения нормальной работы электрической сети. Однако постепенное накопление дефектных изоляторов ведет к перекрытиям, особенно в грозовой период, и возникновению аварийных ситуаций.

Используемые в настоящее время методы диагностирования изоляции не совершенны, так как они не учитывают, в достаточной мере, совокупность проявления физических процессов, приводящих к потере изолирующих свойств. Ни один из существующих способов диагностирования нельзя назвать в полной мере дистанционным. Особенно остро стоит проблема в электрических сетях постоянного тока. Все устройства применяются в непосредственной близости от гирлянд изоляторов. Это приводит к большим

трудовым затратам обслуживающего персонала и снижению степени достоверности полученных результатов. В связи с этим, совершенствование методов диагностирования изоляции электрической сети постоянного тока является актуальной проблемой на сегодняшний день. Работы многих отечественных специалистов в разное время были посвящены решению, как общих задач, так и непосредственно связанных с исследованиями режимов работы контактной сети и электроснабжения в целом. Данные вопросы рассматриваются в трудах В. П. Михеева, К. Г. Марквардта, Г. П. Маслова, В. Н. Зажирко, Д. В. Разевига, П. М. Сви, А. В. Ефимова, Г. С. Кучинского, Г. М. Шалыта, В. Ф. Быкадорова, В. П. Закарюкина, А. Г. Галкина, О. А. Сидорова, В. Н. Горюнова, В. Т. Черемисина, К. С. Демирчяна, В. В. Свешникова и других.

Цель диссертационной работы - совершенствование методов диагностирования изоляторов электрических сетей постоянного тока за счет применения новых алгоритмов и аппаратных комплексов.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научные задачи:

1) создать математическую модель дистанционного метода диагностирования изоляторов на основе анализа параметров линий с распределенными параметрами;

2) определить параметры диагностирующих импульсов и критерии измеряемых параметров для определения местоположения неисправного изолятора;

3) предложить техническое решение дистанционного диагностирования изоляторов, произвести испытания предложенного устройства;

4) выполнить имитационное моделирование распределения электростатического поля вокруг гирлянды, содержащей неисправный изолятор;

5) провести экспериментальные исследования распределения электростатического поля на гирляндах изоляторов, предложить техническое решение устройства бесконтактного диагностирования гирлянд изоляторов.

Объект исследования - узлы изоляции электрической сети постоянного тока.

Предмет исследования - состояние подвесных тарельчатых изоляторов электрической сети постоянного тока.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) усовершенствована математическая модель изоляции контактной подвески путем использования характеристического уравнения, учитывающего основные параметры схемы замещения;

2) определены критерии нахождения неисправной гирлянды изоляторов по форме диагностирующих импульсов;

3) разработан двухступенчатый алгоритм определения места повреждения изоляторов электрической сети постоянного тока на основе применения методов расчета линий с распределенными параметрами и импульсных методов дистанционного диагностирования;

4) определены критерии нахождения неисправных изоляторов в гирлянде по значению напряженности электростатического поля.

Практическая ценность работы:

1) разработана методика и усовершенствована аппаратура дистанционного диагностирования подвесных фарфоровых изоляторов, позволяющие определить наличие неисправной гирлянды на участке электрической сети постоянного тока;

2) определены значения напряженности электростатического поля вокруг поврежденных и исправных изоляторов, на основе которых были предложены новые технические средства, направленные на выявление неисправных изоляторов в гирлянде;

3) созданный двухступенчатый алгоритм диагностирования подвесных тарельчатых изоляторов позволяет существенно сократить время на

выявление неисправной гирлянды на участке, повысить точность измеряемых данных и может быть внедрен на дистанциях электроснабжения.

Методы исследования определялись поставленными задачами диссертации и были основаны на математическом аппарате линий с распределенными параметрами и переходных процессов в электрических цепях. Имитационное моделирование процесса дистанционного диагностирования изоляторов электрической сети постоянного тока осуществлялось в программной среде Multisim с учетом основных положений теории цепей с распределенными параметрами. Моделирование распределения напряженности электростатического поля вокруг изолятора осуществлялось в программной среде Elcut. Обработка и анализ экспериментальных исследований осуществлялся при помощи программы Microsoft Excel.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) двухступенчатый алгоритм диагностирования изоляторов электрической сети постоянного тока;

2) критерии нахождения неисправной гирлянды по форме диагностирующих импульсов;

3) критерии определения неисправного изолятора в гирлянде по параметрам измерения электростатического поля;

4) имитационная модель определения неисправных изоляторов в гирлянде;

5) совершенствование технических средств бесконтактного диагностирования изоляторов электрической сети постоянного тока.

Достоверность научных положений и результатов. Результаты экспериментальных исследований получены на сертифицированном и поверенном оборудовании с обоснованным уровнем сопоставимости при сравнении результатов между собой. Теория построена на проверяемых данных, которые согласуются с опубликованными материалами по теме диссертационной работы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на международной научно-практической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях» (Омск, 2010); VII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 50-летию первого полета человека в космос, «Молодежь и наука» (Красноярск 2011); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2011, 2012); международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2012» (Одесса, 2012); на технических семинарах кафедр ОмГУПС.

Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии автора в создании математической модели и методики дистанционного диагностирования изоляторов; разработке устройства дистанционного диагностирования и его испытании на участке контактной сети полигона ОмГУПС; теоретическом и экспериментальном исследовании распределения электростатического поля на гирляндах изоляторов; разработке методики и технического решения бесконтактного диагностирования гирлянд изоляторов электрической сети постоянного тока.

Публикации. Основное содержание и результаты исследований опубликованы в одиннадцати печатных работах, одном электронном ресурсе. Четыре статьи опубликованы в изданиях, входящих в перечень, утвержденный ВАК Минобрнауки России. Получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 131 наименований и содержит 159 страниц основного текста, 61 рисунок, 17 таблиц и шесть приложений.

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ИЗОЛЯТОРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

1.1 Классификация основных методов диагностирования изоляторов

контактной сети

Изоляторы контактной сети подвергают контролю перед установкой и в процессе эксплуатации. Перед вводом в эксплуатацию, после транспортировки и длительного хранения, изоляторы проходят тестовое диагностирование [1, 4, 5].

Не допускаются к монтажу и заменяются в процессе эксплуатации изоляторы, имеющие следующие дефекты [1-3]:

• трещины в оконцевателях, качание, сползание или проворачивание их в заделке, видимое искривление (несоосность) деталей у всех типов изоляторов;

2

• сколы фарфора ребер общей площадью более 3 см или видимые трещины;

• в стекле - трещины, сколы, посечки, морщины, складки, натеки, свищи, видимые внутренние газовые пузыри и инородные включения;

• у полимерных изоляторов - механические повреждения (надрезы, проколы, кратеры, ссадины), разгерметизация защитного чехла или покрытия, следы токопроводящих дорожек (треков) на длине более одной трети пути утечки;

• коррозия стержня тарельчатого изолятора до диаметра 12 мм. Коэффициент запаса механической прочности изоляторов по отношению к их нормированной разрушающей силе должен быть не менее 5,0 при средней эксплуатационной нагрузке и 2,7 — при наибольшей рабочей нагрузке.

Дефектные изоляторы заменяют немедленно или не позднее пяти дней с момента обнаружения. Поверхность фарфора очищают от пыли и грязи

салфеткой, смоченной в керосине. После испарения керосина вторично протирают поверхность фарфора сухой чистой салфеткой, не оставляя волокон. В местах повышенного загрязнения изоляторов поверхность фарфора рекомендуется покрыть пастой ГИП или вазелином КВ-3 слоем толщиной 1 мм [1, 3].

Основным видом контроля изоляции контактной сети в процессе эксплуатации являются осмотры при обходах и объездах вагоном-лабораторией. Диагностирование фарфоровых тарельчатых изоляторов производится приборами дистанционного контроля их состояния (тепловизорами, электронно-оптическими дефектоскопами и др.) или измерительными штангами [2, 4, 5, 7]. Схематически классификация методов представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Классификация методов диагностирования

1.2 Тестовое диагностирование

Тестовое диагностирование применяется перед вводом изоляторов в эксплуатацию, после транспортировки или длительного хранения и непосредственно в контактной сети при снятом напряжении. Данный вид диагностирования включает в себя внешний осмотр, испытание повышенным напряжением, определение тангенса угла потерь и активного сопротивления изолятора. На оконцеватели (шапки) всех изоляторов, выдержавших испытания, наносят масляной краской отличительную маркировку «П», без которой не допускается их установка на контактной сети [1, 3].

Электрическим испытаниям, измерениям сопротивления изоляции и маркировке не подвергаются стеклянные, полимерные, стержневые и штыревые фарфоровые изоляторы. Изоляторы и изолирующие вставки контактной сети перед установкой осматривают и очищают от загрязнения [1, 2].

1.2.1 Испытание изоляторов повышенным напряжением

Испытания изоляции повышенным напряжением позволяют выявить локальные дефекты, не обнаруживаемые иными методами; кроме того, такой метод испытаний является прямым методом контроля способности изоляторов выдерживать воздействия перенапряжений и дает определенную уверенность в качестве изоляции. К изоляторам прикладывается испытательное напряжение 50 кВ промышленной частоты. Время приложения такого напряжения - 1 минута. Изолятор считается выдержавшим испытание, если за это время не наблюдалось пробоя или частичных повреждений конструкции [7, 11].

При профилактических или послеремонтных испытаниях проверяется способность изоляторов проработать без отказа до следующих очередных испытаний. Контроль изоляторов повышенным напряжением дает только

косвенную оценку электрической прочности изоляции, и основная его задача - проверка отсутствия грубых сосредоточенных дефектов [9, 10, 12].

Наиболее распространенным прибором для испытания изоляторов повышенным напряжением является АИД-70/50 [2, 5, 7, 11]. Аппарат испытательный диодный АИД-70/50 предназначен для испытания изоляции силовых кабелей и твердых диэлектриков синусоидальным электрическим напряжением 50 кВ (максимальное рабочее напряжение 70 кВ) частотой 50 Гц. Аппарат рассчитан для эксплуатации под навесом или в помещениях при рабочих значениях температуры воздуха от минус 10° С до плюс 40° С, относительной влажности 80 % при температуре плюс 20° С и атмосферном давлении 84,0 - 106,7 кПа (630 - 800 мм. рт. ст.). АИД-70/50 включает в себя трансформатор высоковольтный, выключатель высоковольтный, резисторы высоковольтные и выпрямительные столбы, помещенные в бак, заполненный трансформаторным маслом [8].

Уровень трансформаторного масла находится на расстоянии (15 ± 1) мм от наружной плоскости гетинаксовой панели источника испытательного напряжения. Герметизация бака источника напряжения осуществляется с помощью резиновой прокладки. Испытательное напряжение из бака выводится через проходной высоковольтный изолятор, к которому подсоединяется испытываемый объект. Под кожухом бака находится электромагнит заземлителя, конденсаторы и разрядники.

Внешний вид аппарата и схема подключения подвесных тарельчатых фарфоровых изоляторов к источнику испытательного напряжения АИД-70/50 приведены на рисунке 1.2 и 1.3 соответственно.

Рисунок 1.2 - Схема подключения подвесных тарельчатых фарфоровых изоляторов к источнику испытательного напряжения: 1 - источник испытательного напряжения типа АИД-70/50; 2 - тарельчатый фарфоровый изолятор

Рисунок 1.3 - Аппарат испытательный диодный АИД-70/50

1.2.2 Определение активного сопротивления изоляторов

Измерение активного сопротивления изоляторов является одним из простейших, но весьма эффективных методов контроля состояния изоляции, позволяющих фиксировать один из самых распространенных скрытых дефектов - попадание влаги в армировку изолятора. Поверхностное загрязнение изоляторов также снижает их диэлектрические способности. Оба дефекта приводят к перекрытию изолятора [5, 9].

Сопротивлением изоляции называют отношение напряжения, приложенного к изоляции, к току через сечение изоляции, при приложении постоянного напряжения и через 1 минуту после подачи напряжения, то есть это - сопротивление при постоянном напряжении через 1 минуту после его подачи [10, 11, 12].

Активное сопротивление изолятора измеряется мегаомметром на напряжение 2,5 кВ, которое должно быть не менее 300 Мом [1, 7, 9]. Внешний вид мегаоометра приведен на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Электронный мегаомметр

1.2.3 Определение тангенса угла диэлектрических потерь

Измерение tg 5 считается одним из основных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения, поскольку распределенные дефекты (увлажнение, ионизация газовых включений) в первую очередь вызывают увеличение диэлектрических потерь [9]. При измерениях контролируют абсолютную величину tg 5, либо изменения tg 5 по сравнению с предыдущими измерениями. Измеренное значение tg 5 в сопоставлении с нормативом дает представление о текущем состоянии изоляции, характер изменения tg 5 при периодических измерениях позволяет судить об ухудшении свойств изоляции в процессе эксплуатации, а рост tg 5 при повышении напряжения свидетельствует о частичных разрядах в изоляции [9, 10]. Величина tg 8 адекватно отображает ресурс изолятора, что очень важно в эксплуатации подвесных тарельчатых фарфоровых изоляторов. Сложность оценки по этому критерию заключается в том, что его величина зависит не только от плотности фарфора, но и размеров образца, тем более от конструкции тарельчатого изолятора, состоящего из нескольких элементов.

Измерения tg 5 на высоком напряжении проводят измерительными мостами переменного тока, построенными по схеме Шеринга [9, 11, 12]. Наиболее распространенным прибором такого типа является мост Р5026, позволяющий измерять емкости изоляции от 10 пФ до 500 мкФ и тангенсы угла потерь от 0.0001 до 1.0 с погрешностями порядка единиц процентов при напряжении 10 кВ. Нередко встречаются старые модификации этого моста МД-16 и Р-595. Наиболее современными мостами являются приборы СА-7100, СА-7100-2 и СА-7100-3, которые имеют всторенные блоки памяти и функции управления с помощью персонального компьютера, подключенного через СОМ-порт (RS232) к блоку управления.

Принципиальное устройство четырехплечего высоковольтного уравновешенного измерительного моста переменного тока, выполненного по

схеме Шеринга, показано на рисунке 1.5. Отличительными особенностями моста по схеме Шеринга является высокое напряжение питания моста и достаточно хорошая сходимость моста при его уравновешивании. Последнее обстоятельство для моста переменного тока, работающего на синусоидальном напряжении и требующего для сходимости выравнивания модулей и фаз потенциалов на измерительной диагонали моста, имеет важнейшее значение [9, 11].

Рисунок 1.5 - Схема для измерения tg 5

На рисунке 1.5: С - испытуемый изолятор, замещаемый параллельной

схемой С R , С - образцовый воздушный конденсатор, обладающий малыми

диэлектрическими потерями, ^ - магазин емкостей (набор образцовых

резисторов), ^ - образцовый резистор, С - магазин емкостей (набор

образцовых конденсаторов). Буквой Т обозначен высоковольтный трансформатор питающий схему моста, НИ - нуль-индикатор, служащий для уравновешивания моста, FV1, FV2 - низковольтные разрядники,

защищающие низковольтную часть моста при пробое испытуемого изолятора, Э - экран.

Условием равновесия четырехплечего моста, как известно, является равенство произведений сопротивлений противоположных плеч [11], то есть:

2Х • ^ = 20 • 2з, (1.1)

где

2 =_!_

25 -1+1 .а-с, (1-2)

24 ■

+ 1 • О • С,

4

(1.3)

2 0 =—О— (1.4)

— 1 •&• Со У '

2з = П (1.5)

Комплексное уравнение произведения сопротивлений распадается на два вещественных уравнения, из которых получаются соотношения для С и

tg 5:

Если tg 5<0.1, то

п

С = Со • п (1.6)

При конкретном значении Я шкалу магазина емкостей С можно

проградуировать в единицах tg 5.

Также широкое распространение получили приборы ИТП-1, ИТП-1М, ИТП-2 [7]. Принцип работы данных приборов заключается в измерении отношения активной и реактивной составляющей тока, проходящего через изолятор, при приложении к нему от встроенного в прибор источника высокого напряжения [11]. Функциональная схема измерителя тангенса угла диэлектрических потерь ИТП-1М представлена на рисунке 1.6. Внешним по отношению к измерительному блоку элементом является объект измерений (ОИ), обозначенный на схеме емкостью и сопротивлением.

В состав ИТП-1М входят: ВВИ - высоковольтный источник; АФУС - активный фильтр - усилитель сигнала; АФУО - активный фильтр - усилитель опорного сигнала; CDR - синхронный детектор активной составляющей; CDс - синхронный детектор емкостной составляющей; МОДУЛЯТОР - предназначен для управления амплитудой высоковольтного источника; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ИНДИКАТОР - цифровой жидкокристаллический индикатор.

Рисунок 1.6 - Функциональная схема прибора ИТП-1М

На изолятор подается напряжение прямоугольной формы амплитудой 1,5 кВ, частотой 12,5 Гц и экспоненциальными фронтами длительностью 30

мс. Ток, прошедший через изолятор, усиливается активным фильтром усилителем сигнала (АФУС), где выделяется его первая гармоника 12,5 Гц. С выхода АФУС напряжение синусоидальной формы поступает на входы двух взаимно ортогональных синхронных детекторов, которые выделяют соответственно емкостную и активную составляющую сигнала. Опорные напряжения синхронных детекторов получаются из высоковольтного напряжения на входе исследуемого объекта при помощи активного фильтра -усилителя опорного сигнала (АФУО), двух фазовращающих усилителей и формирователей опорных напряжений. Сигналы с выходов синхронных детекторов активной и реактивной составляющей поступают соответственно на сигнальный и опорный входы АЦП, где и происходит измерение их отношения. Результат отображается на цифровом жидкокристаллическом индикаторе. Сигнал частотой 12,5 Гц синхронизирующий работу всего блока, получается в результате деления частоты тактового генератора АЦП при помощи счетчика. Этот сигнал является управляющим для высоковольтного источника.

1.3 Функциональное диагностирование с использованием внешних средств

Универсальным методом диагностирования изоляторов в процессе эксплуатации является их дефектировка измерительной штангой [7]. Применяется данный вид диагностирования как на участках переменного, так и постоянного тока. Также широкое распространение получили методы определения частичных разрядов и методы просвечивания на участках железных дорог переменного тока. При повышении напряжения на одном из изоляторов возникает поверхностный частичный разряд. Это возможно при пробое одного из изоляторов в гирлянде переменного тока.

1.3.1 Дефектировка измерительной штангой

Фарфоровые тарельчатые изоляторы на участках постоянного тока диагностируют при помощи измерительной штанги типа ШИ-10 с изолирующей рабочей площадки съемной вышки или автомотрисы [7]. Перед измерением необходимо проверить исправность измерительной штанги, для чего щупами штанги коснуться одновременно токоведущих и заземленных частей. У исправной измерительной штанги стрелка прибора должна перейти за предельную красную отметку и одновременно загорится неоновая лампочка-индикатор. Для диагностирования гирлянды с тремя изоляторами штанга оборудуется приставкой с двумя щупами.

Измерение осуществляется касанием щупами штанги одновременно по обе стороны изолятора гирлянды поочередно: первым - со стороны контактной сети (напряжения), вторым - со стороны заземляющих конструкций, а затем - средних изоляторов. Изоляторы, имеющие сопротивление 300 Мом и менее и ток утечки 10 мкА и более, считаются дефектными. В этих случаях стрелка измерительного прибора будет уходить вправо за красную предельную отметку, и загораться неоновая лампочка-индикатор.

На участках переменного тока дефектировка производится аналогичным образом. Дефектными считаются изоляторы, падение напряжения на которых равно или менее значений, представленных в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Недопустимые падения напряжения на изоляторах

Число изоляторов в гирлянде Падения напряжения, кВ на изоляторе, считая от заземленной конструкции

1-м 2-м 3-м 4-м 5-м 6-м

3 4,0 4,0 5,0 - - -

4 3,0 3,0 3,0 5,0 - -

5 2,0 2,0 2,0 2,0 3,0 -

6 1,5 1,5 1,5 2,0 2,0 3,0

Схема диагностирования изоляторов при помощи измерительной штанги приведена на рисунке 1.7. Оба указанных метода малопроизводительны и работоспособны лишь при наличии напряжения в контактной сети.

Таким же способом производится дефектировка фарфоровых штыревых изоляторов 6 (10) кВ [7]. Удерживая измерительную штангу в руках, коснуться ее щупом штыря проверяемого изолятора и по показаниям стрелки прибора на головке штанги определить величину напряжения на штыре проверяемого изолятора. Аналогичным порядком, определить поочередно величину напряжения на штырях изоляторов других фаз. Изоляторы считаются дефектными, если измеренная величина напряжения менее 2,5 кВ для ВЛ 6 кВ и 4,0 кВ - для ВЛ 10 кВ.

Рисунок 1.7 - Схема диагностирования изоляторов в гирлянде, где: 1, 2, 3, 4 - последовательность проверки изоляторов в гирлянде

1.3.2 Электронно-оптическая дефектоскопия

Появления поверхностного частичного разряда сопровождается акустическими и электромагнитными колебаниями, оптическими излучениями [5, 9, 11, 12]. Наибольшая чувствительность обеспечивается в оптическом диапазоне. Диагностирование изоляторов по ультрафиолетовому (УФ) излучению основано на выявлении поверхностных частичных разрядов (ПЧР) и короны, возникающих на изоляторах в месте появления дефекта. Для этого используется зависимость силы света ПЧ-разрядов в УФ-диапазоне спектра от приложенного напряжения.

При напряжении выше порогового значения, соответствующего возникновению разрядов, сила света пропорциональна пятой степени от величины напряжения. Поэтому небольшие перераспределения напряжения вдоль гирлянды, связанные с наличием нулевых изоляторов, приводят к резкому увеличению силы света ПЧР или к их возникновению. На многих дорогах для контроля ПЧР применяют переносной электронно - оптический дефектоскоп «Филин» в различных его модификациях [9, 10, 11]. Функциональная схема ЭОД «Филин-6» представлена на рисунке 1.8.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузьменко Антон Юрьевич, 2016 год

и - и

5а = итТ итЭ = 8,1%. (4.28)

итЭ

Также были построены зависимости пикового значения (ирр=Утах-Цтт) спада импульса от сопротивления гирлянды изоляторов при различных значениях Lx (рисунок 4.13).

/к

0,7

kB

0,5

0,4

Um

0,3

0,2

ОД

т Ттт \

\ \

\ Ur пэ

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 M 1000

Lx

Рисунок 4.12 - Зависимость Um(Lx)

Рисунок 4.13 - Зависимость Upp(R^

Данный метод диагностирования позволяет выявить наличие и местоположение дефектных изоляторов. Поврежденные в результате механического воздействия, внешне они могут ничем не отличаться от исправных изоляторов. Но внутри возникают трещины, в которые со временем попадает влага и грязь, снижая тем самым диэлектрические свойства изоляторов. Рекомендуемым способом определения неисправности является метод накопления и последующего сравнения образцовых и измеренных сигналов на участках контактной сети, содержащих различное число исправных и неисправных изоляторов.

4.6 Выводы по 4 главе

1. В результате выполненных исследований были разработаны структурная и принципиальная схемы устройства дистанционного диагностирования изоляторов. Диагностический комплекс содержит блок формирования импульсов и измерительную часть. Устройство включается в линию непосредственно с тяговой подстанции или к началу анкерного участка.

2. Были произведены экспериментальные исследования на действующем полигоне железнодорожной техники ОмГУПС. Получены диагностические осциллограммы для исправного участка и участка с поврежденной гирляндой в трех различных режимах. Наличие на участке неисправной гирлянды приводит к увеличению спада заднего фронта импульса, что объясняется интенсивным разрядом ее внутренней емкости.

3. Для выявления основных диагностических параметров был произведен математический анализ полученных осциллограм. Наиболее существенное значение при определении диагностических признаков имеют постоянная составляющая и0 и постоянные времени нарастания и спада импульсов §1, §2 соответственно. Были получены зависимости диагностических параметров от расстояния до места повреждения.

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ГИРЛЯНДЕ

ИЗОЛЯТОРОВ

5.1 Теория распределения напряженности электростатического поля на

гирлянде подвесных изоляторов

Распределение напряженности электростатического поля вокруг гирлянды изоляторов зависит от типа изоляторов и их количества в гирлянде. Как известно, напряжение на гирлянде из нескольких изоляторов, соответствующее появлению короны на одном из них, может быть значительно меньше суммарного напряжения всех изоляторов в гирлянде, и при некоторых условиях оказаться ниже рабочего напряжения [9, 12]. Объясняется это тем, что напряжение, приложенное к гирлянде, распределяется по изоляторам неравномерно [9-12, 121]. То же самое происходит и с распределением напряженности электростатического поля.

Для выяснения причин неравномерного распределения напряжения необходимо обратиться к схеме замещения гирлянды из трех изоляторов, представленной на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Схема замещения гирлянды изоляторов

На этой схеме С - собственная емкость изолятора, составляющая для тарельчатых изоляторов 50-70 пФ; С1 - емкость изолятора по отношению к земле; С2 - емкость изолятора по отношению к проводу. Значения емкостей С1 и С2 зависят от положения изолятора в гирлянде; в среднем С1 = 4-5 пФ, С2 = 0,5-1 пФ [12].

Наличие емкостей С1 и С2 как раз и обуславливает неравномерное распределение напряжения и напряженности электростатического поля по элементам гирлянды. Рассмотрим сначала влияние только емкостей С1. Происходит ответвление тока I в эти емкости и, как следствие, токи, проходящие через собственные емкости изоляторов, и падения напряжения на изоляторах будут тем меньше, чем дальше от контактной подвески находится изолятор. Если рассмотреть влияние только емкостей по отношению к проводу, то картина изменится: токи через емкости С и падения напряжения будут меньше на тех изоляторах, которые находятся дальше от заземленного конца гирлянды.

В реальных условиях, то есть когда С1 > С2 ф 0, наибольшее напряжение прикладывается к изолятору, расположенному ближе к контактному проводу, наименьшие напряжения - к изоляторам, находящимся в середине гирлянды, и несколько повышенные - к изоляторам ближе к консоли [11, 12].

Основной задачей настоящего раздела является создание математической модели распределения электростатического поля гирлянды изоляторов, работающих на постоянном напряжении контактной сети железных дорог.

Решение задачи находится путем расчетов поля на границах раздела системы металл-диэлектрик1-диэлектрик2- ... диэлектрикп-металл-воздух. Для описания изменения поля в гирлянде изоляторов, при наличии дефектов на одном из изоляторов, дефект представляется в виде токопроводящей среды с переходными параметрами диэлектрической проницаемости.

Основной задачей расчета электростатического поля является определение напряженности поля в рассматриваемом ограниченном объеме по заданным потенциалам крайних точек металлических частей гирлянды изоляторов.

Напряженность поля Е и потенциал U уединенного точечного заряда q на расстоянии г в однородной и изотропной среде соответственно равны:

E _ ; (51)

s 4пг

U _ ; (5.2)

s 4nr

Для изменяющегося электростатического поля в декартовой системе координат будут справедливы выражения:

ôU __E . ôU __E . 5U __E

Л Ex ; ~ _ Ey ; ~ Ez .

ôx ôy ôz

В случае, когда заряды распределены в конечной области пространства dV, справедливо уравнение Пуассона:

а 2и ô2и Ô2и p

—г + —Г + —Г _ , (5.3)

ôx2 ôy2 ôz2 s

а его решением является интеграл вида:

1 г pdV

U _ гpcdv. (5.4)

Лтгс j V

4же V г

Если в рассматриваемой области пространства отсутствуют объемные электрические заряды, то уравнение Пуассона преобразуется к уравнению Лапласа вида:

д2и д2и д2и

дх2 ду2 дх2 , ( )

Так как в электростатическом поле электрические токи отсутствуют, то из соотношения J = у Е, следует, что внутри проводников поле отсутствует (Е = 0) и из выражения Е = - grad и, что для каждого проводника потенциал всех его точек имеет одно и то же значение.

На границе двух изотропных диэлектриков с абсолютными диэлектрическими проницаемостями 81 и 82 будут справедливы выражения [122]:

Е] sin0] = Е2 sin02; (5.6)

D] cos0] = D2 cos02, (5.7) где Е], Е2 - напряженность поля на границах двух сред;

D], D2 - электрическое смещение на границах двух сред;

0], 02 - углы поворота векторов Е], Е2 на границе раздела двух сред.

Векторы смещения будут одинаковы в обеих средах, но напряженность поля на поверхности раздела скачком меняет свое значение, так как:

E] - ^ ф Е2 - . (5.8)

£] £2

Основная задача электростатики - определение напряженности поля во всех точках по заданным зарядам или потенциалам тел, решается отысканием потенциалов как функции координат. Обратная задача определения зарядов по заданному распределению потенциалов решается при помощи уравнения

Лапласа (5.5) и граничного условия -£дЦ - а .

дп

Для численного решения задач электростатического поля используют метод конечных элементов, основанный на аппроксимации искомой непрерывной функции - электрического потенциала, дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей, называемых конечными элементами (КЭ). В качестве функции конечного элемента используют полином.

Основные положения метода конечных элементов удобно рассмотреть на решении двумерных краевых задач, которые делятся на плоскопараллельные и осесимметричные.

Плоскопараллельные краевые задачи используют декартову систему координат х у z, причем предполагается, что геометрия расчетных областей,

свойства сред и параметры, характеризующие источники поля неизменны в направлении оси z. Вследствие этого описание геометрии электротехнического устройства, задание свойств, граничных условий и источников поля можно проводить в плоскости х у, называемой плоскостью модели.

Осесимметричные задачи решаются в цилиндрической системе координат г г 0. Порядок следования осей выбирается для общности с плоскопараллельными задачами. Физические свойства и источники поля предполагаются не зависящими от угловой координаты. Работа с моделью проводится в плоскости г г.

Применение метода конечных элементов начинается с разбиения области моделирования S на конечные элементы, причем их число, размеры и расположение произвольны. Конечные элементы могут представлять собой треугольники. Стороны треугольников должны совпадать с границами раздела сред с различными свойствами.

Если воспользоваться примером плоскопараллельной задачи расчета электрического поля диэлектрика, помещенного внутрь электрического поля методом конечных элементов, то внутри каждого элемента векторный

~ А - кА7 (х,у)

электрический потенциал 7\ ) можно представить в виде

интерполяционного полинома первой степени

А - А7 - а] + а2х + а3у. (5.9)

Конечный элемент, внутри которого функция А представлена интерполяционным полиномом первой степени, называется двумерный симплекс-элемент (рисунок 5.2). Это треугольник с прямолинейными сторонами и тремя узлами, по одному в каждой вершине. В треугольнике, как правило, используется последовательная нумерация узлов против часовой стрелки, начиная от некоторого узла с номером £ который выбирается произвольно. Узловые значения искомой величины А

обозначаются через Л, Aj и Лк, а координаты трех узлов соответственно есть (ад), (Xj,Yj), (Хк,Ук).

Рисунок 5.2 - Двумерный симплекс-элемент

В узлах конечного элемента выполняются следующие условия:

А=А при х=Х1, y=Y1; А=Л|, при x=Xj, y=Yj; А=Ак, при х=Хк, y=Yk. Подстановка этих условий в интерполяционный полином приводит к системе уравнений:

'Л = а1 + ^2Х1 + ^, (5.10)

(5.11)

(5.12)

В результате решения системы уравнений можно определить коэффициенты:

Aj = а1 + а2Xj + а3Yj, Ак = а1 + а2Хк + аз^.

1

а

2S.

(Х^к - Х1?]) Л +(X^ - Х^) А] +(XlYJ - Х/г) Ак , (5.13)

а

а2 =

2S„

- Yk) Л +^к - Yl) - Yj) Ак ], (5.14)

1

а

3

2$.

(хк - X,) А + (X - хк) А, + (X, - Х1) Ак . (5.15)

а

Определитель системы связан с площадью треугольника $ соотношением:

а

] X Yl

] х; ^ ] Хк Yk

- 2Бп

Подставляя значения а], а2 и а3 в интерполяционный полином, можно записать выражение для функции А через три функции формы, по одной для каждого узла:

А - НА + + ЩАк . (5.16)

В матричном виде:

А

NI М, Нк

4

А

А

[М[]-{ Ар}, (5.17)

где [ - 1,},к - номера узлов (вершин) треугольника.

Для каждого узла функция формы (пробная функция) выглядит

следующим образом:

N

1 2Б.

(а1 + ь1х + с1у):

а

М,

28.

-( а + Ь;х + С,У):

а

N

28.

(ак + ькх + скУ),

а

а1 - Х/к -Ь - YJ - Yk, С1 - Хк -

Ь, - Yk - Г1, с;- х;- х1;

ак - х?} - х?г,

Ьк - Уг - Yj,

ск - Х; - хг.

(5.18)

(5.19)

(5.20)

]

]

]

I

Значение функции формы N в узле с номером l: 11

N = — (а + Ь1х + су ) = — (XJYk - Х^. + YJXl - YkXl + Х^ - X^).

Выражение в скобках представляет собой величину определителя системы уравнений относительно а1, а2 и а3, поэтому в узле с номером 1:

N = Ж(=1.

Можно доказать, что N равно нулю в узлах с номерами ] и к, так же как и во всех точках прямой, проведенной через эти узлы.

Величина Л определяется внутри конечного элемента функциями формы, линейными по х и у, поэтому градиенты этой величины в направлениях х и у будут постоянны. Например, градиент в направлении х определяется соотношением:

дА д N А дN.. дИк л — =- Л +- А,- +-^Ак.

дх дх дх дх

Учитывая, что:

д N

дх

р- Ьр, р = 1,.,к ,

можно записать:

— = ЬЛ + Ь.Л. + ЬкЛк . дх 11 J ] к к

В этом выражении коэффициенты Ьi, Ь. , Ьк являются постоянными

(они фиксированы, если заданы узловые координаты). Узловые значения искомой функции Л = ЛЛ-Лк^ также не зависят от пространственных

координат, поэтому частная производная на конечном элементе имеет постоянное значение.

Постоянство градиента внутри каждого элемента означает, что необходимо использовать очень малые по величине конечные элементы, чтобы аппроксимировать быстро меняющуюся функцию Л.

Решение краевых задач теории поля методом конечных элементов производится на основе вариационного исчисления. С вариационной точки зрения решение дифференциального уравнения в частных производных с заданными граничными условиями эквивалентно нахождению минимума функционала, составленному из энергетических соотношений поля.

Для электрического поля постоянного тока, распределенного вокруг изолятора, задача решения уравнения Пуассона относительно векторного электрического потенциала А в методе конечных элементов можно заменить задачей определения минимум функционала вида [122]:

дЛ дп

J(Л) - gradA(х, у, г)]2 dV - 2\ рЛ(х, у, г^К Л(х, у, г)—dS (5 21)

V V

дЛ _ дЛ _ дЛ

где их - —,иу - —,и2 - —- составляющие вектора электрического

дх ду дг

потенциала, распределенного в области V по осям х, у и z.

Записав условие минимума функционала, являющегося функцией значений Ai,Aj,Ak на каждом конечном элементе, получим систему

алгебраических уравнений для определения значений А в вершинах (узлах) треугольников, которыми покрывается расчетная область S:

дт N — {а)

— -дУ —— - 0, р -1,2,...,3,

дР а-1 дЛр

где - вклад треугольника а в общий функционал, N - число

треугольников (конечных элементов), 3 - число неизвестных (вершин треугольников).

Для каждого треугольника на плоскости можно получить выражения:

д—{а г д г дП

—-- 2 \ s(gradП)——(gradП) ■ dSа - 2 Г р— dSа , (5.22)

ЗА, 1 дПг а Г дП а

учитывая, что:

gradПi - i

—П П.- +Пк у дх дх дх

с ^ а ~ ^ л

+ -

-П П.. +^Пк

ду ду ду

и вводя обозначения:

ди ди;

- ф;

а

а

- 21

е

дф; дф; дф; дф;

+ ■

Sа

а,

а

- 21

е

дх дх ду ду дф дФ] , дф ф

+ ■

а,

ik

а у дх дх ду ду ' дФг дФк , дФг дФк

2 /

е

Sа

дх дх ду ду

^а ;

/а - -2 | рф&а ,

Ба

получаем уравнение:

дJ.

а - ааи + а, + аи + /Т..

ди

I] ]

(5.23)

которое является дифференциальным уравнением, определяющим значения искомой величины и в вершинах треугольников с номерами \„ j и к.

Рассмотренный метод предусматривает приближенное решение дифференциального уравнения, описывающее поле, распределенного в области S. При этом должно выполняться следующее условие: разность между приближенным и точным решениями должна быть ортогональна функциям формы, используемым при аппроксимации [123].

Рассмотренный выше метод конечных элементов использовался для моделирования напряженности электрического поля фарфоровых изоляторов, в программе Е1си [124]. Также были проведены экспериментальные исследования в лаборатории ТВН кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта».

5.2 Моделирование распределения напряженности электростатического поля

в программе Е1си

Для решения поставленной задачи был выбран осесимметричный класс модели. Это означает, что для определения распределения напряженности поля будет достаточно выполнить чертеж половины изолятора (гирлянды). Распределение напряженности поля в трехмерном пространстве получается в результате вращения созданной модели вокруг оси симметрии. Построение осуществлялось в системе декартовых координат. Чертеж неисправного изолятора с заданием свойств области «Фарфор» приведен на рисунке 5.3. Чертеж исправного изолятора приведен в приложении Г.

Рисунок 5.3 - Модель неисправного изолятора в программе Е1си

В программе для каждой области (среды) задается значение диэлектрической проницаемости. Значения диэлектрической проницаемости для сред, используемых в модели, представлены в таблице 5.1. Рисунки с заданными свойствами сред используемых в модели приведены в приложении Г.

Таблица 5.1 - Параметры относительной диэлектрической проницаемости сред

Среда 8

воздух 1

фарфор 6

цемент 2

дефект 40

Для получения картины поля поверхность пестика изолятора задается меткой «Напряжение» (3 кВ), а поверхность шапки меткой «Заземление» (и=0). Распределение напряженности электростатического поля на исправном и неисправном изоляторах представлены на рисунках 5.4 и 5.5 соответственно.

Н апряженность Е [1 0+В/м]

Рисунок 5.4 - Распределение напряженности поля на исправном изоляторе

Напряженность Е (1 04В/м)

Рисунок 5.5 - Распределение напряженности поля на неисправном изоляторе

Для определения распределения напряженности электростатического поля на гирлянде изоляторов было рассмотрено четыре случая. Распределение напряженности поля на исправной гирлянде приведено на рисунке 5.6. Распределение напряженности поля при нижнем неисправном изоляторе приведено на рисунке 5.7. Распределение поля при неисправном среднем и верхнем изоляторах приведены в приложении Г.

Рисунок 5.6 - Распределение напряженности поля на исправной гирлянде

Н апряженность

Ц2 ЕПО'В/м)

Рисунок 5.7 - Распределение поля при нижнем неисправном изоляторе

Как видно из приведенных рисунков, наличие в изоляторе дефекта всегда приводит к увеличению напряженности электростатического поля, как в изоляторе, так и в гирлянде в целом.

5.3 Измерение напряженности электростатического поля на гирлянде

подвесных изоляторов

Так как распределение электростатического поля зависит от формы изолятора, было рассмотрено несколько ключевых точек для измерения напряженности электростатического поля [125]. Конструкция подвесного изолятора [9, 11, 12] и точки измерения напряженности приведены на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8 - Конструкция подвесного изолятора: 1 - изолирующее тело изолятора; 2 - шапка изолятора; 3 - пестик; 4 - песочно-цементная связка; 5

- прокладка; 6 - пружинный замок; 7 - паз; N1, N2 - направление силы нормального давления; а^ - характерные точки измерения напряженности

электростатического поля.

На рисунке в масштабе указаны точки, характеризующие распределение электростатического поля вокруг изолятора, находящегося под действием постоянного напряжения. Точки а, Ь и с находятся на расстоянии 5, 10 и 15 см от шапки изолятора соответственно. Точки d, е и f находятся на расстоянии 2, 5 и 10 см от изолирующего тела изолятора соответственно. Точка g находится в 15 см от пестика изолятора.

Внешний вид подвесных фарфоровых изоляторов тарельчатого типа приведен на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 - Внешний вид подвесного фарфорового изолятора

Измерения напряженности электростатического поля в выбранных точках производились с помощью прибора СТ-01 [126]. Технические характеристики измерителя СТ-01:

Диапазон измерения, кВ/м От 0,3 до 180

Время установления рабочего режима, с., не более 60

Длительность работы без подзарядки, ч., не менее 6

Рабочее напряжение, В 8±1,5

Потребляемая мощность, Вт, не более 0,6

Масса, кг, не более 1,1

Внешний вид измерителя СТ-01 приведен на рисунке 5.10. Измеритель состоит из: модулятора (1), преобразователя напряженности (2), разъема с накидной гайкой (3), тумблера включения и выключения (4), разъема для подключения блока питания (5), жидкокристаллического индикатора (6), лицевой панели блока управления и индикации (7), гибкой пленочной клавиатуры (8) и крышки отсека автономного источника питания (9).

Рисунок 5.10 - Измеритель СТ-01:

Для проведения экспериментальных исследований [127] были использованы подвесные фарфоровые изоляторы типа ПФ-70 [116]. Сначала была измерена напряженность электростатического поля на исправном изоляторе (сопротивление 300 МОм, емкость порядка 50-70 пФ), а затем на неисправном (сопротивление 500 кОм, емкость порядка 5-10 пФ) в точках, как показано на рисунке 5.8. Результаты измерений приведены в таблицах 5.2 и 5.3 соответственно.

Таблица 5.2 - Измерение напряженности на одном исправном изоляторе

Точка измерения Ет, кВ/м

а 8,44

Ь 6,55

с 3,99

а 7,61

е 5,25

f 3,38

8 3,72

Таблица 5.3 - Измерение напряженности на одном неисправном изоляторе

Точка измерения Ет, кВ/м

а 8,22

Ь 8,09

с 5,78

а 14,6

е 9,03

f 4,57

ё 4,56

Из приведенных данных видно, что наиболее информативными являются значения, измеренные в непосредственной близости от изолирующего тела изолятора (характерные точки d, е и f на рисунке 5.8). Поэтому измерения напряженности электростатического поля на гирлянде изоляторов производились непосредственно в этих точках. Распределение напряженности поля по результатам эксперимента представлено на рисунке 5.11.

Рисунок 5.11 - Распределение напряженности поля на одном изоляторе

Схема проведения измерений приведена на рисунке 5.12. На гирлянду изоляторов подавалось постоянное напряжение 3 кВ от автотрансформатора типа АИД-70. В первом опыте измерялась напряженность электростатического поля на исправной гирлянде. Полученные данные приведены в таблице 5.4.

Рисунок 5.12 - Схема проведения эксперимента: 1, 2, 3 - изоляторы в гирлянде; 4 - источник постоянного напряжения 3 кВ; 5 - измеритель СТ-01

Таблица 5.4 - Результаты измерения напряженности электростатического поля на исправной гирлянде изоляторов_

№ изолятора Расстояние от изолирующего

в гирлянде тела изолятора, см кВ/м

2 4,19

1 5 2,44

10 1,67

2 7,25

2 5 4,29

10 2,35

2 11,1

3 5 6,0

10 3,45

Далее один из изоляторов в гирлянде менялся на неисправный. Сначала был рассмотрен случай, когда неисправен ближайший к токоведущим проводам изолятор (№3 на рисунке 5.12). Данные приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.5 - Результаты измерения электростатического поля с третьим

неисправным изолятором

№ изолятора в гирлянде Расстояние от изолирующего тела изолятора, см Em, кВ/м

2 3,91

1 5 2,82

10 1,94

2 8,25

2 5 4,92

10 3,35

2 19,1

3 (неисправен) 5 7,74

10 4,26

Далее неисправный изолятор устанавливался в положение 2 и 1 как показано на рисунке 5.12. Данные с этих экспериментов приведены в таблицах 5.6 и 5.7 соответственно.

Таблица 5.6 - Результаты измерения электростатического поля со вторым

неисправным изолятором

№ изолятора в гирлянде Расстояние от изолирующего тела изолятора, см Em, кВ/м

2 7,23

1 5 3,77

10 2,04

2 15,8

2(неисправен) 5 6,46

10 3,27

2 7,46

3 5 3,49

10 2,61

Таблица 5.7 - Результаты измерения электростатического поля с первым

неисправным изолятором

№ изолятора в гирлянде Расстояние от изолирующего тела изолятора, см Ет, кВ/м

2 7,42

1 (неисправен) 5 2,65

10 1,49

2 4,17

2 5 2,99

10 1,77

2 9,6

3 5 5,16

10 2,45

Из приведенных данных, наиболее информативными являются

показания снятые в непосредственной близости от изолятора (2 см). Картина распределения напряженности поля для всех четырех случаев представлена на рисунке 5.13.

20

кВ/м р2

4

0

Рисунок 5.13 - Распределение напряженности поля на гирлянде изоляторов

На основе полученных данных был произведен расчет погрешности адекватности результатов математического моделирования и экспериментальных данных по формуле:

120

Е - Е

^ адекв = МОЕ ЭКС" -100%, (5.24)

эксп

где Емод - напряженность поля, полученная в результате моделирования, Еэксп - напряженность поля, полученная опытным путем.

Результаты расчета погрешности адекватности модели для всех трех изоляторов представлены в таблицах 5.8-5.10 соответственно.

Таблица 5.8 - Результаты расчета погрешности адекватности для первого изолятора

Режим работы Напряженность поля, кВ/м ЗадеЕв? %

модель эксперимент

Исправная гирлянда 4,5 4,19 7,4

1-й изолятор неисправен 8 7,42 7,82

2-й изолятор неисправен 7,5 7,23 3,73

3-й изолятор неисправен 4,2 3,91 7,42

Таблица 5.9 - Результаты расчета погрешности адекватности для второго изолятора

Режим работы Напряженность поля, кВ/м §адекв5 %

модель эксперимент

Исправная гирлянда 7,5 7,25 3,45

1-й изолятор неисправен 4,5 4,17 7,91

2-й изолятор неисправен 16 15,8 1,27

3-й изолятор неисправен 9 8,25 9,09

Таблица 5.10 - Результаты расчета погрешности адекватности для третьего изолятора

Режим работы Напряженность поля, кВ/м Задекв? %

модель эксперимент

Исправная гирлянда 12 11,1 8,11

1-й изолятор неисправен 10 9,6 4,17

2-й изолятор неисправен 8 7,46 7,24

3-й изолятор неисправен 20 19,1 4,71

Проанализировав полученные данные можно сделать вывод, что наличие неисправного изолятора в гирлянде приводит к увеличению напряженности электростатического поля вокруг гирлянды. При измерениях на исправной гирлянде, максимальное значение напряженности электростатического поля наблюдается у изолятора, находящегося ближе всего к источнику напряжения. А минимальное значение напряженности - у ближайшего изолятора к заземленным частям. Это доказывает ранее выдвинутую теорию о распределении электростатического поля вокруг гирлянды изоляторов. Величина напряженности электростатического поля также зависит от расстояния, на котором производятся измерения. Произведя расчет погрешности отклонения результатов математического моделирования и экспериментальных данных, получили, что 5о не превышает 9,5%. Для стабилизации результатов измерений распределения поля вокруг гирлянд изоляторов и снижения факторов риска для здоровья обслуживающего персонала, предложено новое устройство бесконтактного диагностирования.

5.4 Разработка технического решения бесконтактного диагностирования

гирлянд изоляторов

Основным видом контроля изоляции контактной сети в процессе эксплуатации являются осмотры при обходах и объездах вагоном-лабораторией [1, 3, 7]. На участках железных дорог переменного тока получили распространение дистанционные методы диагностирования изоляторов контактной сети. Но все они имеют существенные недостатки.

Методы просвечивания подразумевают вывод диагностируемой гирлянды из обращения. Такой метод требует больших временных затрат и введения дополнительных «окон» на действующих участках контактной сети. Ультразвуковая дефектоскопия является сложным методом диагностирования. Только работник, обладающий большим опытом, сможет

выявить неисправность в гирлянде таким способом. Тепловизионная дефектоскопия позволяет диагностировать гирлянды только в темное время суток. Не один из этих методов не получил распространения на участках постоянного тока.

Фарфоровые тарельчатые изоляторы на участках железных дорог постоянного тока диагностируют при помощи измерительной штанги типа ШИ-10 с изолирующей рабочей площадки съемной вышки или автомотрисы [7]. Подробно данные методы диагностирования рассмотрены в первой главе.

Метод диагностирования с использованием измерительной штанги является контактным и подразумевает непосредственное соприкосновение измерительной штанги и гирлянды изоляторов, находящейся под напряжением 3 кВ [7]. Даже при соблюдении всех принятых мер безопасности [128-131], такая методика требует высокой квалификации обслуживающего персонала.

Для реализации предложенной методики бесконтактного диагностирования [127] предложено новое техническое устройство на основе измерителя СТ-01. Структурная схема устройства представлена на рисунке 5.14.

Рисунок 5.14 - Структурная схема устройства бесконтактного диагностирования изоляторов

В состав устройства дополнительно введены три блока преобразования (БП1 - БП3), блок коммутации (БК), изолирующая штанга (ИШ), которая посредством фиксирующего устройства (ФУ) крепится к изолирующей рабочей площадке съемной вышки или автомотрисе. Измерительная штанга последовательно подключена к блоку управления и индикации (БУИ) и логическому блоку (БЛ). Логический блок выдает результат контроля гирлянды изоляторов И1, И2, И3 путем сравнения измеренных сигналов, пропорциональных напряженности поля, с пороговыми значениями дефектных изоляторов. Акт испытания бесконтактного устройства диагностирования изоляторов на станции Омск-Пассажирский приведен в приложении Д.

5.5 Общий алгоритм двухступенчатой системы диагностирования подвесных

фарфоровых изоляторов

Общий алгоритм диагностирования включает в себя два основных этапа и позволяет определить расположение поврежденной гирлянды и выявить в ней неисправный изолятор. Схема алгоритма приведена на рисунке 5.15. Перед произведением измерений производится отключение участка от питания. Первый этап включает в себя подключение устройства дистанционного диагностирования изоляторов к началу участка, и выполнение измерений. Если амплитудное значение напряжения выходного сигнала превышает значение порогового напряжения (Ути>ип), следовательно, участок содержит неисправную гирлянду. На основе значения напряжения и формы импульса определяется предполагаемое место повреждения ^х). Далее производится включение питания диагностируемого участка. После подачи питания на участок начинается второй этап - диагностирование гирлянды изоляторов бесконтактным методом. Посредством устройства бесконтактного диагностирования выполняются измерения значения напряженности электростатического поля на каждом изоляторе гирлянды одновременно. Далее производится сравнительный анализ полученных значений и если выполняется одно из трех последних условий (рисунок 5.15), определяется неисправный изолятор. Если же все измеренные значения напряженности не превышают пороговых значений, производится диагностирование следующей ближайшей опоры. Значения напряженностей Е1-Е3 (рисунок 5.15) измерены на изоляторах № 1-3 (рисунок 5.12). После выявления поврежденного изолятора производится его замена на исправный. Акт внедрения методики бесконтактного диагностирования изоляторов на основе измерения напряженности электростатического поля приведен в приложении Е.

Рисунок 5.15 - Общий алгоритм двухступенчатой системы диагностирования