"Совершенствование методов диагностирования изоляторов в электрических сетях постоянного тока" Кузьменко Антон Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Обзор и анализ современных методов и средств диагностирования изоляторов контактной сети 10

1.1 Классификация основных методов диагностирования изоляторов контактной сети 10

1.2 Тестовое диагностирование

1.2.1 Испытание изоляторов повышенным напряжением 12

1.2.2 Определение активного сопротивления изоляторов 15

1.2.3 Определение тангенса угла диэлектрических потерь 16

1.3 Функциональное диагностирование с использованием внешних средств 20

1.3.1 Дефектировка измерительной штангой 21

1.3.2 Электронно-оптическая дефектоскопия 23

1.3.3 Тепловизионная дефектоскопия 26

1.3.4 Диагностирование методами просвечивания 30

1.4 Выводы по 1 главе 37

2 Статистический анализ повреждаемости устройств контактной сети. волновые процессы в линиях с емкостной нагрузкой 39

2.1 Задачи повышения надежности контактной сети 39

2.2 Основные виды технического обслуживания 41

2.3 Статистический анализ причин отказов устройств контактной сети на дистанциях ОАО РЖД 42

2.4 Исследование природы возникновения повреждений в изоляторах 46

2.5 Волновые процессы в линии с распределенными параметрами 51

2.6 Выводы по 2 главе 55

3 Теоретическое исследование импульсных воздействий на изоляторы контактной сети 57

3.1 Импульсные методы определения места повреждения в линиях 57

3.2 Метод ОМП на основе внешних предварительно заряженных конденсаторов 59

3.3 Определение первичных параметров участка линии 61

3.4 Моделирование процесса диагностирования в программе Multisim 64

3.5 Выводы по 3 главе 67

4 Разработка устройства и методики дистанционного контроля изоляторов контактной сети 69

4.1 Результаты информационно-патентного поиска 69

4.2 Разработка структурной схемы устройства дистанционного диагностирования изоляторов 71

4.3 Разработка принципиальной схемы прибора

4.3.1 Высоковольтное зарядное устройство 75

4.3.2 Система управления коммутационным реле 77

4.3.3 Измерительная часть

4.4 Методика проведения экспериментальных исследований на действующем полигоне железнодорожной техники ОмГУПС. 84

4.5 Выявление основных диагностических параметров на основе экспериментальных исследований 87

4.6 Выводы по 4 главе 98

5 Исследование электростатического поля на гирлянде изоляторов 99

5.1 Теория распределения напряженности электростатического поля на гирлянде подвесных изоляторов 99

5.2 Моделирование распределения напряженности электростатического поля в программе Elcut 109

5.3 Измерение напряженности электростатического поля на гирлянде подвесных изоляторов 112

5.4 Разработка технического решения бесконтактного диагностирования гирлянд изоляторов 121 5.5 Общий алгоритм двухступенчатой системы диагностирования подвесных фарфоровых изоляторов 124

5.6 Расчет технико-экономического эффекта от внедрения системы двухступенчатого диагностирования изоляторов контактной сети 126

5.7 Выводы по 5 главе 130

Заключение 131

Список литературы

• Определение активного сопротивления изоляторов
• Исследование природы возникновения повреждений в изоляторах
• Определение первичных параметров участка линии
• Система управления коммутационным реле

Введение к работе

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 несовершенны, 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;

1. выполнить имитационное моделирование распределения электростатического поля вокруг гирлянды, содержащей неисправный изолятор;

2. 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;

4. 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;

5. 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.

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. В том числе, 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.

Определение активного сопротивления изоляторов

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; 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. 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].

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.

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].

Рисунок 1.4 – Электронный мегаомметр

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. 1.2.3 Определение тангенса угла диэлектрических потерь

Измерение tg 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 , либо изменения tg по сравнению с предыдущими измерениями. Измеренное значение tg в сопоставлении с нормативом дает представление о текущем состоянии изоляции, характер изменения tg при периодических измерениях позволяет судить об ухудшении свойств изоляции в процессе эксплуатации, а рост tg 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 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 COM-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].

Исследование природы возникновения повреждений в изоляторах

Коэффициент ослабления рентгеновых лучей при их распространении в газовой среде весьма мал. Поэтому, если изоляция имеет газовые включения, то прошедшие через газовое включение лучи будут иметь большую интенсивность: I2 =I 0 -e Мd x) , (1.8) где х - размер газового включения по направлению рентгеновых лучей. Если под испытуемым объектом поместить фотопластинку, то на ней получится изображение испытуемого объекта, причем газовые включения можно обнаружить по более темным местам на эмульсии. Данная методика весьма трудоемкая и не получила широкого распространения на дистанциях железных дорог. Просвечивание ультразвуком обнаруживает наличие воздушных включений в массе основной изоляции. Практически способ находит применение для контроля пористости фарфора, качества склейки фарфора по отсутствию в плоскости склейки воздуха.

Способ основан на том, что в твердых телах ультразвук распространяется со скоростью, примерно, 0,5 см/сек. Напротив, воздух представляет среду, через которую ультразвук практически не проникает, так как расстояния между молекулами воздуха велико, и они движутся беспорядочно и независимо. Поэтому от газовых включений ультразвуковая волна почти полностью отражается. По приходу отраженных волн и можно судить о расположении воздушных включений. Методы просвечивания изоляции показаны на рисунке 1.16.

Наиболее распространенным прибором, работающим на основе ультразвукового просвечивания, является дефектоскоп УД-8 [2, 7]. Принцип действия прибора УД-8 основан на приеме ультразвуковых колебаний от контролируемых изоляторов в диапазоне частот 39-41 кГц с выводом сигнала на стрелочный индикатор и на головной телефон оператора. Работа ультразвукового детектора основана на эффекте повышения напряжения на изоляторах гирлянды с увеличением интенсивности поверхностных частичных разрядов при наличии «нулевых» изоляторов. При повышении напряжения на изоляторе повышается и интенсивность ультразвукового фона, что и регистрируется прибором. Если же дефект изолятора проявляется в форме незавершенного пробоя, то это приводит к резкому увеличению интенсивности сигнала в ультразвуковом диапазоне. Блок–схема прибора изображена на рисунке 1.17.

При напряжении более 20 кВ высоковольтный разряд обнаруживается на расстоянии до 20-30 м. Рекомендуется использовать прибор после дождя в сухую погоду, причем обход делать с утра и повторно после полудня. Если гирлянда дефектируется утром и днем, ее необходимо менять, если только утром – то провести дополнительную дефектировку штангой [7].

В настоящее время для диагностирования изоляторов на участках железных дорог переменного тока используется прибор «Ультраскан 2004» [31]. Прибор пригоден для контроля высоковольтного оборудования напряжением до 110кВ. Наибольшая эффективность достигается при контроле состояния электрооборудования напряжением 0.22 – 35 кВ. В приборе использован метод улавливания ультразвуковых излучений частичных и коронных разрядов, возникающих при наличии дефектов в изоляторах. Излучения принимаются ультразвуковым датчиком, диаграмму направленности которого формирует входной рупор. Далее сигнал усиливается селективным приемником и детектируется для выделения огибающей принятых колебаний. Полученный таким образом полезный сигнал подается на вход блока цифровой обработки и на выход для подключения диктофона, а через контрольный усилитель на выход для подключения головных телефонов. В цифровом блоке принятые излучения проходят специальную обработку с применением частотного и корреляционного анализа, после чего на жидкокристаллический индикатор прибора выводится информация об уровне принимаемого сигнала, а также основная частота огибающей принятых колебаний. При совпадении спектра входного сигнала с образцом, прибор делает вывод о наличии разряда и включает тревожный сигнал. Внешний вид прибора приведен на рисунке 1.19.

Определение первичных параметров участка линии

Основными причинами повреждения изоляторов являются: низкое качество изготовления тарельчатых фарфоровых изоляторов, применяемых на КС; установка изоляторов в устройствах электроснабжения без предварительных электрических испытаний; несвоевременные дефектировка и замена дефектных изоляторов. Также причинами повреждения изоляторов могут быть и грозовые перенапряжения, несоосность пестика и шапки, высокая механическая нагрузка изоляторов с разрушающей нагрузкой 70 кН в узлах анкеровки контактной подвески. На рост повреждения изоляторов влияют следующие факторы: постоянная вибрация; запылённость окружающей среды от проходящего подвижного состава и прилегающих к железной дороге промышленных предприятий; несоблюдение требований ГОСТа при транспортировке, выгрузке и их хранении; несоответствие числа изоляторов в гирлянде степени загрязнённости атмосферы (СЗА) или нормативной длине пути тока утечки; коррозия пестика на участках постоянного тока; старение изоляторов (особенно полимерных) и др [1, 3, 7, 52, 53, 54].

Характерными видами повреждений в изоляторах являются: перекрытия по поверхности; вырыв пестика из заделки; механическое разрушение изолятора; образование микротрещин под шапкой изолятора от воздействия солнечных лучей: пробой изолятора; перекрытия изолятора птицами; набросы и другие [9-12].

Анализ распределения отказов в узлах изоляции по времени суток показывает, что практически большинство их (84 - 86 %) происходит в светлое (солнечное) время, т.е. когда осуществляется сначала нагрев (с 6 до 15 часов), а затем охлаждение (с 16 до 22 часов) материалов изолятора, имеющих различные коэффициенты линейного расширения (11 Ю-6 - для серого чугуна, 3 Ю-6 - для фарфора) [10, 11, 52, 53]. Опыт эксплуатации показал, что срок надежной работы стержневого и подвесного фарфорового изолятора не превышает 15-20 лет, после чего его необходимо заменить, иначе снижение механической прочности фарфора приводит к изломам изолятора.

Пробои тарельчатых изоляторов происходят из-за нарушения правил их хранения, транспортировки, погрузки и выгрузки. Нередки случаи, когда изоляторы перевозят навалом, сбрасывают у опор с высоты и даже на ходу автомотрисы, а при производстве монтажных работ забивают молотком пестик серьги или штангу в шапку изолятора либо седла на пестик изолятора. Во многих случаях изоляторы монтируются без протирки изоляционной поверхности.

Из-за жесткой сборки изолирующей детали и металлической арматуры (шапки и стержня), механических ударов по изоляторам появляются сколы фарфора, а также микротрещины под шапкой изолятора. Влага проникает в микротрещины, и в результате увеличивается ток утечки. Грязь и влага снижает электрическую прочность фарфора и происходит пробой или перекрытие одного, или гирлянды изоляторов [9-12, 52-57].

Одна из основных причин разрушения стеклянных изоляторов - это поверхностные частичные разряды (ПЧР), возникающие при загрязнении и увлажнении поверхности изолятора. Разрушение изолятора происходит под действием растягивающих механических напряжений, образующихся в результате нагрева стекла током ПЧР до пластического состояния и последующего охлаждения нагретой области. Обычно ПЧР возникают на границе раздела сухого и увлажненного слоев загрязнения, т.е. в зонах с максимальной напряженностью электрического поля [9-12].

Основные причины повреждения секционных изоляторов: нарушение изоляционных свойств вставки; излом изоляторов в месте заделки его в оконцеватель; перекрытия изолятора в несущем тросе из-за отсутствия нейтральной вставки; нарушение регулировки скользунов для прохода полоза токоприемника ЭПС.

Основные причины разрушения стержневых изоляторов: низкая механическая прочность при ударных нагрузках; быстрое старение в эксплуатации и, особенно, при низких температурах: недостатки конструкций, фиксирующих узлов; нарушение норм содержания; случаи, не связанные с эксплуатацией. Недостаточная механическая прочность стержневых изоляторов при их защемлении и воздействии ударных нагрузок приводит к разрушению фарфора. Снижение механической прочности некоторых изоляторов при длительной эксплуатации обычно происходит из-за возникновения значительных напряжений в месте сопряжения фарфора, цементной заделки и металлической арматуры в связи с разными коэффициентами температурного расширения этих материалов. В таких местах в фарфоре возникают микро- и макротрещины, со временем развивающиеся и снижающие механическую прочность всего изолятора. Максимальная потеря прочности происходит при низких температурах.

Прочность изолятора уменьшается также из-за постоянных ударных нагрузок, передающихся на них при эксплуатации. В таких случаях в фарфоре также возникают скрытые трещины, которые затем развиваются [9].

Наиболее опасным повреждением изолятора является его полное перекрытие и потеря изоляционных свойств, что в итоге приводит к короткому замыканию и выводу участка контактной сети из эксплуатации.

Система управления коммутационным реле

Для реализации технического решения предложенной математической модели был произведен поиск подходящих устройств в патентной базе РФ. Основу полезных моделей и изобретений составляют определители мест повреждений на воздушных [83-90] и кабельных линиях [91-95]. На участках железных дорог переменного тока получили распространение методы акустического контроля состояния изоляторов [96-99]. В Мосэнерго разработан генератор высоковольтных импульсов для выявления мест повреждения силовых линий электропередач методом импульсной рефлектометрии [100], который используется совместно с неавтоматическим локационным искателем (НЛИ) для определения места повреждения изоляции воздушной линии. В состав генератора входит блок формирования зондирующего сигнала напряжения, состоящий из повышающего трансформатора, накопительного конденсатора, тиратронного коммутатора (коммутирующего разрядника), делителя напряжения и двух формирующих линий, создающих прямоугольные импульсы напряжения длительностью 1 мкс и 10 мкс. С помощью таких генераторов амплитуда посылаемых в линию зондирующих импульсов увеличивалась до 2,5-3 кВ. Управление генератором высоковольтных импульсов осуществлялось непосредственно с помощью НЛИ типа ИКЛ-5. Отраженный сигнал подавался на вход НЛИ. Подключение генератора к воздушной линии осуществляется через фильтр присоединения. В качестве источника высокого напряжения в данной установке используется трансформатор напряжения типа НОМ-6. При частоте посылки зондирующих импульсов 30 Гц максимальная амплитуда импульса 3 кВ. Длительность импульсов, вырабатываемых генератором, определяется двумя формирующими линиями и составляет 1 мкс и 10 мкс, форма импульсов близка к прямоугольной. В качестве измерителя неоднородности линии используется прибор Р5-5. Применение генератора высоковольтных импульсов позволило значительно сократить время на определение места повреждения на воздушных линиях электропередач.

К недостаткам описанного устройства можно отнести: непригодность применения при неустойчивых повреждениях линии; недостаточная величина зондирующего напряжения для диагностирования изоляторов контактной сети; невозможность регулирования частоты входного сигнала.

Известно устройство для импульсного выявления мест повреждения силовых линий электропередач [101], позволяющее выявлять на линиях без рабочего напряжения повреждения устойчивого характера, представляющие собой неоднородности волнового сопротивления линий. Устройство состоит из рефлектометра-измерителя, проводов для подключения к линии, может иметь в своем составе приставку для увеличения амплитуды зондирующего импульса до уровня, не превышающего 100 В.

К недостаткам описанного устройства можно отнести: малое напряжение зондирующего импульса, недостаточное для диагностирования изоляторов контактной сети; непригодность применения при неустойчивых повреждениях с остаточной электрической прочностью изоляции, высоких значениях переходного сопротивления в месте дефекта; чувствительность к высокочастотным помехам; невозможность регулирования частоты входного импульса.

Известно устройство акустико-эмиссионной диагностики фарфоровых изоляторов [102], содержащее блок принятия решения, блок отображения информации и, по меньшей мере, один временной дискриминатор и одну пару измерительных каналов, предназначенных для соединения с разными точками поверхности диагностируемого изолятора. Каждый измерительный канал пары содержит последовательно включенные акустический преобразователь, блок фильтрации, детектор огибающей и пороговый элемент. В одном канале пары к выходу порогового элемента подключен счетчик импульсов с регистром, выход которого через последовательно соединенные блок запуска и таймер подключен к тактовым входам счетчика импульсов и регистра. При этом вход блока принятия решений соединен с выходом регистра, входы временного дискриминатора подключены к выходам пороговых элементов измерительных каналов пары, а входы блока отображения информации - к выходу блока принятия решений и выходу временного дискриминатора. Недостатками данного устройства являются: процесс диагностирования производится с выводом изоляторов из эксплуатации, что в свою очередь ведет к значительным трудовым затратам и перерывам в работе участка контактной сети; невозможность диагностирования всей гирлянды изоляторов целиком.

Наиболее подходящим техническим решением является переносное устройство для дистанционного определения места повреждения дефектных изоляторов воздушных линий [103], состоящее из блока формирования зондирующих сигналов, включающее накопительный конденсатор и коммутирующий разрядник, а также измерительной части с делителем напряжения, включающей микропроцессор, блок отображения информации, делитель напряжения или датчик тока. Блок формирования зондирующих сигналов дополнительно содержит высоковольтное зарядное устройство, соединенное с высоковольтным накопительным конденсатором и коммутирующим разрядником, и состоит из высокочастотного преобразователя напряжения, высоковольтного выпрямительного блока с умножением напряжения и защитного дросселя. К недостаткам данного устройства можно отнести: невозможность регулирования частоты подаваемого импульса и, как следствие, ограниченность длины диагностируемого участка; обязательное наличие защитного дросселя и высокого входного напряжения для срабатывания коммутирующего разрядника.