Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов и схемных решений выявления дефектных опор 4
1.1. Постановка задачи исследования 4
1.2. Обзор существующих методов и средств выявления низкоомных опор 16
1.3. Вывод 26
2. Разработка методики расчетов по выявлению дефектных железобетонных опор контактной сети 27
2.1. Применение стороннего источника высокой частоты для выявления низкоомных опор 27
2.2. Схема замещения 33
2.3. Выявление и обоснование признаков метода 35
2.4. Выводы 73
3. Корректировка расчетов контролируемых параметров 76
3.1. Изменение частоты стороннего источника 76
3.2. Влияние количества дефектных опор на критерии оценки 82
3.3. Изменение тока при ошибочной оценке сопротивления бетонного слоя опор 86
3.4. Расчет фазового угла и тока, протекающего по цепи
когда участок диагностики содержит от 4 до 12 опор 89
3.5. Влияние неравномерного распределения сопротивления опор по участку на контролируемые признаки выявления дефектных опор 92
3.6. Уточнение значений влияющих параметров цепи диагностики .94
3.7. Выявление признаков метода при наличии связи ТГЗ и рельса 98
3.8. Влияние изменения напряжения питания на результаты измерений...101
3.9. Влияние нестабильности величины емкости разделительного конденсатора на результаты измерений 102
3.10. Электромагнитные влияния на результаты измерения 104
4. Разработка структурной и функциональной схем устройства 114
4.1. Разработка структурной схемы устройства 114
4.2. Автономный источник питания 117
4.3. Способы подсоединения устройства к ТГЗ 118
4.4. Разработка блока конденсаторов 120
4.5. Разработка функциональной схемы устройства 121
4.6. Разработка блока питания устройства 124
5. Разработка программного обеспечения 126
5.1. Этапы создания программной поддержки метода 126
5.2. Возможности программного обеспечения 127
5.3. Алгоритм работы программы 127
5.4. Расчет погрешностей теоретических значений тока и фазового угла.. 134
5.5. Поиск двойственности значений результатов измерения 136
5.6. Разработка интерфейса ПО 140
6. Этапы внедрения 143
6.1. Экспериментальная проверка метода выявления низкоомных опор 143
6.2. Технические требования к устройству реализации метода 145
6.3. Сравнительные характеристики существующих аналогов и разрабатываемого устройства 146
6.4. Методика проведения работ 151
7. Технико-экономическое обоснование 156
7.1. Потребность в устройстве 156
7.2. Эффективность устройства 156
8. Заключение 158
9. Список используемой литературы 162
Приложение 1 165
Приложение 2 174
Приложение 3 181
Приложение 4 197
- Постановка задачи исследования
- Применение стороннего источника высокой частоты для выявления низкоомных опор
- Изменение частоты стороннего источника
- Разработка структурной схемы устройства
- Этапы создания программной поддержки метода
Введение к работе
Актуальность темы. Для электрифицированных участков железных дорог постоянного тока одной из центральных проблем, связанных с безопасностью движения поездов, является электрокоррозия железобетонных опор контактной сети. Коррозионный излом опоры, вызванный, как правило, токами утечки от рельсов, почти неизбежно влечет за собой обрыв проводов контактной сети, линий продольного электроснабжения и связи, нарушение электроснабжения и режима движения поездов на соответствующем участке железной дороги. Опасные электрокоррозионные повреждения в подземной части железобетонных опор нераздельного типа при отсутствии иных источников коррозии, таких, как агрессивность грунта или бетона, могут развиваться лишь при наличии "металлического" касания арматурного каркаса с элементами крепления подвески. В течение многих лет на участках постоянного тока устанавливались железобетонные опоры, не имеющие надежной изоляции поддерживающих конструкций от тела опоры. В результате эксплуатационный персонал вынужден сталкиваться с таким положением, когда значительная часть опор находится в неизвестном коррозионном состоянии. Сложившаяся ситуация и существующие технические средства вынуждают проводить целый комплекс измерений и обследований в целях своевременного выявления дефектных конструкций. В условиях недостаточной защищенности от коррозии эффективность коррозионных обследований становится, по сути, одним из главных факторов поддержания надежности контактной сети.
Реализация метода, разработанного в результате диссертационной работы, имеет важное практическое значение, т.к. этот метод позволяет для любой конфигурации группы опор, объединенных тросом группового заземления (далее - ТГЗ), выявить местоположение одной опоры с низкой изоляцией (менее 100 Ом) в группе при помощи одного измерения.
По расчетным данным и теоретическим заключениям можно сделать вывод, что использование разработанного метода позволит сэкономить время поиска дефектной опоры в составе группы опор, объединенных ТГЗ, без ее отсоединения, путем указания ее точного местоположения.
Цель работы. Разработка нового комплексного метода выявления
дефектных железобетонных опор контактной сети, объединенных ТГЗ, без их
С.-Петербург
оэ гсо^кт/б)^
отсоединения для анализа состояния, работоспособности и удобства в работе технических средств, состоящих на вооружении обслуживающего персонала энергетического хозяйства.
Постановка задачи. В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследования:
а) разработка модели и расчетной схемы участка контактной сети,
состоящего из железобетонных опор, объединенных ТГЗ, определение
основных его параметров, составление схемы замещения участка;
б) выявление и обоснование основных признаков разработанного метода;
в) оптимизация расчетов с целью выявления степени влияния параметров
исследуемого участка на выявленные признаки метода, а также выбора их
оптимальных значений и построения методики проведения измерений;
г) разработка программы расчетов, необходимых для получения
расчетных значений параметров исследуемого участка и точного
местоположения дефектной опоры;
д) разработка структурной и функциональной схем устройства,
реализующего разработанный метод выявления дефектных опор;
е) разработка технических требований на Диагностическое устройство
выявления дефектных железобетонных опор.
Объект и методы исследования. В качестве объектов для исследования были выбраны:
а) провод марки ПБСМ-70, как наиболее часто употребляемый в качестве
ТГЗ;
б) участок диагностики, состоящий из опор количеством от 4 до 12,
объединенных ТГЗ;
в) сторонний источник энергии высокой частоты.
Теоретические исследования базируются на основных положениях теории линейных электрических цепей, электротехники; методах математической статистики, методах системного анализа и математического моделирования.
Суть метода состоит в измерении тока и угла сдвига фаз между напряжением, приложенным к ТГЗ, при помощи стороннего источника высокой частоты, и током, протекающим по созданному контуру через ТГЗ, опоры и землю. Полученные значения измеряемых величин сравниваются с их теоретическими значениями. Результаты сравнения оцениваются с целью определения:
-
наличия дефектной опоры на участке диагностики;
-
номера ближайшей к источнику дефектной опоры. Научная новизна.
-
Разработка математической модели группы опор, объединенных ТГЗ, включающей: формирование множества схем замещения для различных конфигураций; расчет параметров сторонних элементов, вносимых в схему для проведения измерений; комплексную обработку результатов замера тока в цепи диагностики и угла сдвига фаз между прикладываемым напряжением и током; их сравнение с аналогичными теоретическими параметрами.
-
Регистрация местоположения одной дефектной опоры с помощью одного измерения протекающего тока и фазового угла относительно прикладываемого напряжения.
-
Возможность измерения индивидуального сопротивления бетонного слоя (сопротивления заземления опоры относительно навесных металлоконструкций) любой из опор, объединенной ТГЗ, как с целью задания входных данных, так и с целью проверки правильности результатов выявления местоположения дефектной опоры.
-
Применение современного технического средства промышленного производства - карманного портативного компьютера, позволяющего функционально разделить реализацию метода на несколько этапов работы: измерение, обработка данных и представление местоположение дефектной по изоляции опоры в цифровом виде.
5. Разработка комплексного метода по выявлению дефектных по
изоляции опор в составе конкретной группы, использующего признаки
сопротивления изоляции одной из опор, величины тока и фазового угла
между током и приложенным напряжением. Метод назван "экспресс-
методом", учитывая малое число выполняемых операций.
Практическая ценность. Разработана комплексная методика проведения измерений по выявлению местоположения дефектной по изоляции опоры в составе группы опор с наименьшей трудоемкостью.
Реализация результатов работы. Разработанная комплексная методика
выявления дефектной опоры в составе группы опор нашла применение в
качестве основы для разработки Технических требований к диагностическому
устройству выявления дефектных железобетонных опор, которые
согласованы и утверждены Департаментом электрификации и
электроснабжения ОАО "РЖД". Указанные Технические требования разработаны с участием специалистов Московского энергомеханического завода - филиала ОАО "РЖД" (МЭЗ ОАО "РЖД") и Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) для изготовления опытного образца и последующего сравнения с существующими аналогами в эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-практической конференции Неделя науки - 2005 "Наука -Транспорту" в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) в 2005 году.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в шести научных трудах.
Объем работы. Диссертация состоит из главы, посвященной обзору и анализу существующих методов и схемных решений по оценке коррозионного состояния железобетонных опор контактной сети, и семи глав основного содержания работы, заключения, четырех приложений и списка литературы. Работа общим объемом 197 страниц содержит 113 страниц основного машинописного текста, 82 рисунка, 23 таблицы, в перечне использованных источников 29 наименований.
Постановка задачи исследования
Коррозия - это разрушение материала от воздействия на него окружающей среды. Говоря о коррозии, подразумевают разрушение не только металлов или сплавов. Коррозировать могут и другие материалы, например, бетон. Имеет свои особенности коррозия железобетона - основного конструкционного материала опор контактной сети.
Целесообразно ввести две основные группы повреждений:
первая - электрокоррозионные повреждения;
вторая - повреждения, не связанные с протеканием тока.
В первую группу входят, прежде всего, повреждения, которые вызываются током утечки через цепь заземления опоры на рельс. К этой же группе относятся повреждения, вызванные перетекающими токами между опорами в групповом заземлении.
Вторая группа представляет повреждения, хотя и менее опасные с точки зрения динамики потери несущей способности, но являющиеся более массовыми. Это различного рода растрескивания бетона, снижение его сцепления с арматурой, повреждения, вызванные агрессивными веществами и т.п.
Электрокоррозия опор тесно связана с необходимостью их заземления на рельсовую сеть. Как известно, электрифицированные железные дороги используют ходовые рельсы в качестве обратного провода для возврата тягового тока к источнику электроснабжения - подстанции. Рельсы уложены на деревянных или железобетонных шпалах и не имеют достаточно высокую изоляцию от грунта. Вследствие этого рельсовую сеть можно считать заземленной по всей ее длине. Это обстоятельство приводит к тому, что часть тягового тока стекает в землю, а между рельсами и землей возникает разность потенциалов. Эта разность является, по сути, падением напряжения, возникающим на переходном сопротивлении "рельс-земля" при протекании через него токов от рельсов в землю. Она зависит от проводимости рельсовой сети, электрических характеристик грунта, местоположения подстанций, количества и расположения тяговых нагрузок [1].
Электрокоррозионные повреждения железобетонных конструкций могут возникать как от токов утечки с рельсов через арматуру, так и от блуждающих токов. Блуждающие токи значительной величины могут затекать в арматуру только протяженных конструкций (железобетонные мосты, эстакады и др. искусственные сооружения).
Для электрифицированных участков железных дорог постоянного тока центральной проблемой, связанной с безопасностью движения поездов, является электрокоррозия железобетонных опор контактной сети. Коррозионный излом опоры, вызванный, как правило, токами утечки от рельсов, почти неизбежно влечет за собой обрыв проводов контактной сети, линий продольного электроснабжения и связи, нарушение электроснабжения и режима движения поездов на соответствующем участке железной дороги. Необходимо отметить, что на основании проведенного комплекса исследований был сделан вывод о том, что опасные электрокоррозионные повреждения в подземной части железобетонных опор нераздельного типа при отсутствии иных источников коррозии, как то, агрессивность грунта или бетона, могут развиваться лишь при наличии "металлического" касания арматурного каркаса с элементами крепления подвески. У конструкций, не имеющих такого касания ни в одной точке верхнего пояса, электрокоррозионный процесс весьма маловероятен по двум причинам. Во-первых, вызванное стекающим током электролитическое растворение поверхности болтов в зонах прилегания к бетону в условиях их ограниченного смещения приводит к интенсивному росту сопротивления верхнего пояса и уменьшения тока через опору. Во-вторых, если же по каким-то причинам, ток через опору будет протекать достаточно длительное время, это приведет, прежде всего, к существенным повреждениям в узлах крепления поддерживающих конструкций и излому соответствующих закладных болтов. Однако анализ показал, что случаи электрокоррозии закладных болтов или хомутов на сети дорог не зафиксированы [2]. В течение многих лет на участках постоянного тока устанавливались железобетонные опоры, не имеющие надежной изоляции поддерживающих конструкций от тела опо ры. В результате, эксплуатационный персонал нынешнего времени вынужден сталкиваться с таким положением, когда значительная часть опор находится в неизвестном коррозионном состоянии. В первую очередь, это относится к опорам прошлых лет установки, для которых длительное время не соблюдались требования по изоляции от рельсовой сети. Сложившаяся ситуация вынуждает проводить целый комплекс измерений и обследований в целях своевременного выявления дефектных конструкций. В условиях недостаточной защищенности от коррозии эффективность коррозионных обследований становится, по сути, одним из главных факторов поддержания надежности контактной сети [1].
Применение стороннего источника высокой частоты для выявления низкоомных опор
В первые годы внедрения железобетонных опор и фундаментов вопросам коррозионной стойкости конструкций в процессе эксплуатации не придавалось серьезного значения. Большее внимание было приковано к обеспечению планов выпуска конструкций, максимальному снижению веса, улучшению технологии изготовления опор и фундаментов. Такой подход совершенно неправильно ориентировал работников участков энергоснабжения на ликвидацию дефектов и повреждений в процессе коррозии тогда, когда уже поздно бывает предпринимать какие-либо меры. Практика участков энергоснабжения свидетельствует о том, что меры начинают предпринимать тогда, когда появля- ются внешние признаки коррозии: трещины, пятна ржавчины, разрушение цементного камня. К этому времени повреждения достигают, как правило, недопустимых пределов и приходится срочно заменять конструкции [11].
Более правильно в решении возникшей проблемы основной упор для обеспечения долговечности конструкций делать на предотвращение явлений коррозии арматуры и бетона. Сделать это можно только в процессе проектирования, изготовления и установки конструкций. И только учитывая, что сотни тысяч железобетонных опор уже эксплуатируются, необходимо рассмотреть меры, которые должны быть приняты, чтобы не допустить катастрофического развития явлений коррозии, а особенно электрической коррозии арматуры.
Особенно важным является выявление опор, потерявших несущую способность и I их замена. Число электрокоррозионных изломов опор контактной сети на электрифицированных дорогах России постоянно растет [18]. Во много это вызвано просчетами ученых, проектировщиков и изготовителей. Часть причин объясняется упущениями и ошибками эксплуатационного персонала дистанций электроснабжения.
Для облегчения, улучшения качества и уменьшения трудоемкости производимых работ при диагностике железобетонных опор контактной сети возникла необходимость создания нового прибора, который позволит повысить быстродействие и точность выявления дефектных по изоляции или низкоомных опоры (далее - дефектных) внутри ТГЗ.
Основной задачей предлагаемого метода является своевременное обнаружение такого повреждения с последующей его ликвидацией.
Ранее был предложен метод [19], позволяющий выявить конкретную дефектную железобетонную опору по изоляции её навесных металлоконструкций относительно "земли" без отсоединения опоры от ТГЗ. Диссертационная работа посвящена конкретизации признаков, развитию и углублению данного метода.
Он основан на регистрации электрических параметров цепи при резком изменении переходного сопротивления "трос-грунт" (г0) в месте подсоединения к ТГЗ опоры. Для чего используется сторонний источник Ur переменного тока повышенной частоты.
Изменение частоты стороннего источника
Во второй главе была разработана методика расчетов выявления признаков повреждения изоляции железобетонной опоры контактной сети среди опор, навесные металлоконструкции которых объединены ТГЗ. Была исследована математическая модель участка, состоящего из опор количеством п = 4 24 шт. Суть метода coon стоит в измерении тока и угла сдвига фаз сроп между напряжением Ur, приложенном к ТГЗ с одной стороны, а к земле с другой при помощи стороннего источника переменного напряжения, и током /, протекающим по контуру через ТГЗ, опоры и далее землю. Полученные значения измеряемых величин сравниваются с их теоретическими значениями. Результаты сравнения оцениваются с точки зрения:
1) наличия дефектной опоры на участке диагностики;
2) определения номера дефектной опоры.
Рассмотрим воздействие влияющих (входных) параметров участка на изменение контролируемых (выходных) параметров, а именно на ток и фазовый угол между приложенным напряжением и током.
В качестве стороннего источника был взят источник переменного напряжения U = 24В высокой частоты / = 15000Гц. Выбор частоты основывался на результатах исследований влияния частоты источника питания на зависимости измеряемых величин: тока / и фазового угла (роп. Рассмотрим причины выбора такого значения частоты для параметров участка, рассмотренном в п. 2.3.
Проведены расчеты фазового угла сроп между током и напряжением при разных частотах прикладываемого напряжения: 10, 15 и 20 кГц. Расчеты велись согласно методике, описанной в п. 2.3.3. По результатам расчетов построим графические зависимости (рис. 3.1-3.3).
В таблице 3.1 приведены данные, полученные при исследовании данных зависимостей, позволяющие оценить целесообразность использования той или иной часто ты при определении адреса дефектной опоры, где і - число пролетов к.с, п - число опор к.с.
Разработка структурной схемы устройства
Для реализации разработанного метода необходимо устройство, автоматизирующее выполнение необходимых измерений и расчетов. Для этого целесообразно использовать современную микропроцессорную технику, способную обеспечить надежность работу и точность измерений
Структурную схему устройства диагностики изоляции опор можно разделить на три основные части рис. 4.1:
1. Силовая.
2. Измерительная.
3. Обрабатывающая. Силовая часть состоит из:
1) автономного источника питания;
2) источника переменного напряжения;
3) блока заземления;
4) блока конденсаторов (Ср);
5) электроизоляционной штанги;
6) контактного щупа;
7) блоков защиты от перенапряжения №№ 2, 3.
Устройство подключается посредством электроизоляционной штанги: одним полюсом источника переменного напряжения - через блок конденсаторов к ТГЗ, объединяющему группу опор, другим - через блок заземления - к земле с помощью переносных заземлителей. Источник переменного напряжения формирует и направляет в цепь диагностики синусоидальный сигнал действующим напряжением 24 В повышенной частоты 14 кГц. Автономный источник питания является универсальным, как для низковольтной схемы устройства, так и для подачи напряжения в цепь измерения через усилитель. В свою очередь, со стороны ТГЗ возможно обратное воздействие опасного или мешающего напряжения. Для предотвращения такого воздействия в схеме предусмотрены 3 ступени защиты. Блоком защиты от перенапряжения №1 (далее - БЗП) является диод группового заземления (ДГЗ) и последовательно включенный с ним искровой промежуток (ИП), предотвращающие появление на ТГЗ напряжения в диапазоне U = 800-г 1200 В и выше. БЗП №2 служит для резервной защиты схемы от попадания в нее напряжения более 300 В, а также для дублирования БЗП №1. При срабатывании БЗП №2, поступает сигнал в Блок обработки о высоком напряжении в системе "ТГЗ-опоры". Обработав этот сигнал, блок обработки даёт команду на отключение устройства диагностики от ТГЗ, чтобы предотвратить повреждение устройства от влияния высокого напряжения. БЗП №3 защищает низковольтную цепь от наводок из цепи диагностики по обратной связи.
Измерительная часть состоит из блока измерения, который снимает полезный аналоговый сигнал (ток / и напряжение U) после прохождения им всех ступеней защиты (БЗП №№1-3) и преобразовывается в цифровой с помощью АЦП. Блок измерения составляет измерительную часть устройства.
Обрабатывающая часть состоит из:
1) аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
2) блока обработки;
3) блока индикации;
4) пульта управления;
5) карманного портативного компьютера (далее - КПК).
Полезная информация поступает в блок обработки для выделения фоп. С помощью блока индикации отображается значения фазового угла роп и тока /.
Блок индикации формирует следующие виды сигналов в зависимости от режимов работы:
- состояние устройства (включено или отключено, готовность к работе);
- проведение измерения (подача переменного напряжения в цепь, измерение и обработка полезного сигнала);
- аварийный сигнал при срабатывании любого из блоков защиты от перенапряжения;
- значение действующего напряжения, подаваемого в цепь измерения;
- значения результатов измерения (тока / и фазового угла роп) ,
- разрядка батареи, зарядка батареи, окончание зарядки.
Этапы создания программной поддержки метода
Для реализации метода, позволяющего определить номер дефектной железобетонной опоры контактной сети постоянного тока внутри группы опор, объединенных ТГЗ, без отсоединения от него, была создана математическая модель участка диагностики. На первом этапе исследования проводились внутри программной среды Microsoft Excel с построением графического представления зависимостей основных параметров. На втором этапе проводилась предварительная разработка алгоритма работы программы, позволяющей объектно-ориентированно реализовать: ввод параметров участка диагностики, расчет и вывод величин индивидуального сопротивления изоляции опоры, резонансной емкости, ввод экспериментальных данных измерения, расчет и визуальное представление номера дефектной опоры. Исследование проводилось с помощью программного обеспечения (далее - ПО) Microsoft Visual Basic. Для реализации возможностей математической модели в условиях эксплуатации требовалось разработать программный продукт для переносного программируемого устройства. Для этой цели был выбран карманный портативный компьютер (далее - КПК) на базе операционной системы Microsoft Windows Mobile 2003 for Pocket PC. Разработка ПО произведена в интегрированной среде разработки Visual Studio .NET на языке С#.
Математическая модель позволяет сымитировать участок диагностики, состоящий из от 2 до 12 железобетонных опор, сопротивление бетонного слоя которых находится в диапазоне О 10 кОм для нескольких случаев, возникающих в условиях эксплуатации:
1) дефектных опор нет и сопротивление опор примерно одинаково по всей длине участка диагностики и находится в диапазоне: 100 Ом 10 кОм;
2) на участке находится одна или более дефектных опор, и сопротивление бетонного слоя дефектной опоры находится в диапазоне 0 ч-100 Ом, а сопротивление других опор предполагается равным 100 Ом 10 кОм.
Входными исходными данными для математической модели являются параметры участка: количество опор, длина пролетов, предполагаемое сопротивление опор, сопротивление растеканию опоры, марка ТГЗ, а также текущее значения напряжения на входе модели.
В зависимости от входных параметров математической модели вычисляются зависимости тока и фазового угла для разных конфигураций системы "ТГЗ-опоры". При попадании значений тока и фазового угла, полученных в результате их измерение в условиях эксплуатации, в диапазон расчетных значений происходит идентификация режима работы, а при наличии одной или более дефектных опор на участке, - идентификация номера ближайшей к источнику дефектной опоры.
Этим, а также нелинейностью тока при повреждении опоры на значительном удалении от источника (опоры №7 12), обусловлена необходимость измерения тока и фазового угла с обеих сторон участка и сопоставления полученного результата с результатами математической модели.
