Введение к работе
Актуальность проблемы. Высокая загруженность электрифицированных линий, куда относятся промышленный транспорт (ГОКи, угольные разрезы, городской транспорт и магистральные железные дороги) заставляет повышать требования к ремонтопригодности и надежности ее наиболее ответственных узлов, а также находить более эффективные решения, которые позволили бы максимально снизить количество отказов в системе. Отсюда следует, что необходимо внедрить новые конструкции контактной сети, обладающие более высокой надежностью, чем существующие.
Одним из перспективных направлений технического перевооружения и существенного повышения уровня электробезопасности является создание полимерных изолирующих конструкций контактной сети. Это обусловлено недостатками существующих традиционных металло-фарфоровых и металло-стеклянных конструкций (большой вес, высокая повреждаемость, недостаточная механическая прочность), трудностями обеспечения все усложняющихся требований к изоляции.
Полимерные изолирующие конструкции отличаются от традиционных значительно меньшей массой, большей ударной прочностью, меньшими размерами, технологичностью изготовления, простотой монтажа и транспортировки, компактностью. Использование полимерных изолирующих конструкций контактной сети позволяет повысить ее надежность, уменьшить трудозатраты на обслуживание, решить ряд технических проблем, связанных с повышением скорости движения экипажа, сооружением контактных подвесок в искусственных сооружениях со стесненными габаритами (мосты, путепроводы) и в тоннелях.
Кроме того, замена традиционных изолирующих конструкций полимерными позволит сэкономить металл, упростить конструкцию, повысить надежность основных защитных средств и уровень электробезопасности
производства ремонтных работ на контактной сети, улучшить условия труда монтажников и эксплуатационников.
Изолирующие конструкции контактной сети работают в тяжелых условиях эксплуатации, так как наряду с электрическими и механическими нагрузками, на них воздействуют атмосферные факторы, такие как солнечная радиация, температура, повышенная влажность и дождь, ветровые нагрузки и т.п. Поэтому в систему изолирующих конструкций должны быть заложены материалы, которые обеспечивали бы стабильность электрофизических характеристик при длительном воздействии перечисленных выше факторов. Характерной особенностью полимерных материалов является то, что их свойства в значительной степени зависят от времени. Ползучесть полимерных материалов заметно проявляется при нормальных температурах и оказывает существенное влияние на напряженно-деформированное состояние конструкции. Изменение свойств материалов изолирующей конструкции во времени предъявляет повышенные требования к расчету на различные воздействия, в том числе кратковременные большой интенсивности. Поэтому создание нормативных документов для проектирования, изготовления, применения полимерных изолирующих конструкций контактных электрических сетей представляет одну из актуальных проблем современной строительной механики и промышленной безопасности.
Замену традиционных изолирующих узлов контактной сети на полимерные возможно осуществить в два этапа, цель каждого этапа - получение значительного экономического эффекта при минимуме трудозатрат.
При реализации первого этапа, полимерные изолирующие конструкции (изоляторы) по своей строительной длине адекватны стеклянным и фарфоровым. По мере исчерпания ресурса работоспособности замена традиционных изоляторов на полимерные не приводит к реконструкции устройств контактной сети. Этот вариант наиболее перспективен в применении
на действующих электрифицированных линиях, его реализация возможна силами эксплуатационного персонала.
При капитальном ремонте устройств электроснабжения или строительстве новых линий перспективен второй вариант, когда несущие, фиксирующие и поддерживающие конструкции контактной сети выполнены целиком из полимерного материала, т.е. выполняют одновременно функции "несущая конструкция-изолятор".
Учитывая высокую технико-экономическую эффективность внедрения полимерных изолирующих конструкций контактных электрических сетей и необходимость решения широкого круга научно-технических задач при их создании, данную работу следует рассматривать как решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Работа выполнялась в соответствии с комплексными целевыми программами : 054.01.02.10 "Разработать и внедрить высокоэффективные технологические процессы и технические средства в хозяйстве электрификации и энергетики" ; 31.00.00 "Улучшение условий и охраны труда, снижение производственного травматизма на основе разработки и внедрения эффективных технических средств и организационных мероприятий", а также утвержденной в 1983 году « Долгосрочная программа разработки, изготовления и внедрения изоляторов для контактной сети электрифицированных железных дорог».
Целью работы является разработка и внедрение высокоэффективных полимерных изолирующих конструкций контактных электрических сетей, обеспечивающих повышение промышленной безопасности электрифицированных дорог.
Достижение поставленной цели реализуется решением ряда основных задач:
разработать полимерную изоляцию контактной сети с высокой несущей способностью, жесткостью, трещиностойкостью и малой материалоемкостью;
всесторонне исследовать конструкционные и эксплуатационные свойства
полимерной изоляции, включая исследование новых материалов, определить области и пути их рационального применения в конструкциях контактной сети и основных защитных средствах;
исследовать механику разрушения полимерных материалов изолирующих конструкций контактной сети и проанализировать предельное состояние конструкции близкое к аварийной ситуации;
проанализировать характерные повреждения по основным элементам контактной сети, выявить основные факторы, влияющие на ее промышленную безопасность;
разработать рекомендации по улучшению эксплуатационных показателей контактной сети, путем использования современных изолирующих материалов, а также совершенствования наиболее ответственных узлов системы;
изучить характерные случаи электротравмирования, выявить и научно обосновать причинно-следственные связи опасности поражения электрическим током;
установить первоочередность мероприятий по профилактике травматизма и совершенствованию средства защиты от поражения электрическим током;
разработать требования к полимерной изоляции контактной сети с точки зрения промышленной безопасности, а также видов и методам ее испытаний;
разработать и внедрить эффективные способы повышения эксплуатационной надежности и долговечности полимерной изоляции и основных защитных средств;
разработать основы технологии изготовления полимерных изолирующих конструкций контактных электрических сетей;
разработать методы диагностики полимерных изолирующих конструкций с целью оценки ресурса безопасной эксплуатации.
Методы исследования, В работе использовался системный подход к решению поставленных задач, для чего были применены методы:
научного обобщения статистических данных о причинах и последствиях аварий и несчастных случаев на контактной сети;
экспертных оценок для решения отдельных вопросов;
планирования эксперимента;
экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях;
методы теории вероятности, математической статистики и максимального правдоподобия для обработки экспериментальных данных электрических и механических испытаний стеклопластиковых стержней, полимерных покрытий и определения предельных значений прочностных характеристик материала;
теория уравнений математической физики, вариационного исчисления, метод конечных элементов для анализа напряженно-деформированного состояния соединения "стеклопластиковый стержень - оконцеватель" и при расчете параметров электрического поля в электрически неоднородных средах;
операторный метод, метод конечных разностей при анализе распределения напряжений в клеевой прослойке при ее частичном разрушении и определении тока через тело человека при оценке условий электробезопасности на контактной сети в случае использования полимерной изоляции.
Достоверность основных положений обеспечивается строгостью математической постановки в пределах сформулированных допущений и гипотез, обоснованием сходимости построенных численных решений, совпадением тестовых результатов с результатами, соответствующими другим методам и натурным экспериментам.
Научная новизна заключается в следующем:
получены новые данные о физических процессах протекающих в полимерных материалах изолирующей конструкции, уточнен механизм их разрушения при одновременном воздействии электрического и механического напряжений, а также эксплуатационных факторов;
сформулированы принципы расчета и конструирования полимерной изолирующей конструкции контактной сети;
осуществлено прогнозирование долговечности полимерных изолирующих конструкций (изоляторов) контактной сети ' и разработаны эффективные пути повышения их надежности;
установлены прочностные и деформативные характеристики, получены
коэффициенты условий работы стеклопластиковых стержней, используемых
в изолирующих конструкциях контактных электрических сетей и линий
электропередачи;
обоснованы значения удельной эффективной длины пути утечки для защитных покрытий полимерной изоляции контактной сети и установлена минимальная длина пути утечки тока полимерных изоляторов для различных районов по степени загрязненности атмосферы;
определены основные,изоляционные характеристики стеклопластиковых стержней, используемых в устройствах контактной сети в зависимости от температурно-влажностных условий и агрессивных сред;
выявлены причины снижения электрической прочности пограничного слоя «стеклопластиковый стержень - защитное покрытие» в процессе эксплуатации полимерных изоляторов;
предложен способ соединения металла со стеклопластиком стержнем, обжатием в матрице, учитывающий геометрические параметры и свойства соединяемых материалов, а также упрочнение металла при его пластической деформации;
разработана методика расчета несущей способности соединения « окон-цеватель- стеклопластиковый стержень» в условиях осевой растягивающей нагрузки, учитывающая технологические параметры обжима , свойства соединяемых материалов, а также частичное разрушение и ползучесть клеевой прослойки;
дано научное обоснование необходимости создания новых полимерных изолирующих конструкций с комплексом заранее заданных свойств, обладающих высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью;
разработана система экспресс-диагностики состояния полимерных изоляторов контактной сети.
Практическое значение работы заключается в том, что:
созданы полимерные изолирующие конструкции (изоляторы) обеспечивающие повышение промышленной безопасности контактных электрических сетей; разработаны и внедрены эффективные способы повышения эксплуатационной надежности и долговечности полимерной изоляции;
получены характеристики кратковременной и длительной прочности, необходимые для расчета конструкций контактной сети, выполненные из композиционного материала;
установлена статистическая значимость корреляционной связи между объемным током утечки и электромеханическим характеристиками стеклопластиковых стержней, что дало возможность разработать методику экспресс - диагностики состояния полимерной изоляции в условиях ее эксплуатации;
определен ресурс безопасной эксплуатации полимерных изолирующих конструкций контактных электрических сетей;
разработана методика расчета полимерных изолирующих конструкций контактной сети и ВЛ электрифицированных железных дорог.
Основные научные положения работы, выносимые на защиту:
сформулированные автором концептульные положения комплекса требеяа-ний и критериев оценки изоляционных материалов для использования их в полимерных конструкциях контактных электрических сетей обеспечивают поддержание технических средств в постоянном рабочем состоянии и безотказность рабочих режимов;
повышение промышленной безопасности контактных электрических сетей обеспечивается только на основе структурно-функционального анализа объекта учитывающего взаимосвязи между конструкцией, материалом, технологией изготовления и реализуется на каждом этапе через: расчет, конструирование, оценку долговечности;
упреждение чрезвычайных ситуаций на контактной сети обеспечивается созданием и внедрением полимерных изолирующих конструкций, обладающих повышенной надежностью, улучшающих условий эксплуатационного обслуживания и создающих необходимые уровни промышленной безопасности;
Личный вклад автора заключается в:
обосновании идеи, цели и задач исследований, разработке и развитии методик исследований, научно-методическом руководстве исследованиями, результаты которых приведены в диссертации;
обобщении статистических данных по оценке характерных случаев электротравмирования на контактной сети, обосновании мероприятий по профилактике травматизма и совершенствованию средств защиты от поражения электрическим током на основе анализа производственного риска и выявлении основных факторов, влияющих на промышленную безопасность;
формулировании и обосновании комплекса требований и критериев оценки изоляционных материалов для использования их в полимерных конструкциях контактных электрических сетей;
разработке основ расчета, конструирования, оценки долговечности и
технологии изготовления полимерных изолирующих конструкций
контактной сети, обеспечивающих повышение промышленной
безопасности контактных электрических сетей;
обосновании методологических принципов создания нового класса изоляционных конструкций контактных электрических сетей, повышающих промышленную безопасность, заключающихся, в определении прочностных и деформативных характеристик, выявлении новых данных о физических процессах и разрядных напряжениях, в определении минимальной длины пути утечки тока полимерных изоляторов для различных районов по степени загрязненности атмосферы, изучении особенностей поведения полимерных изолирующих конструкций контактной сети при одновременном воздействии электрических и механических нагрузок, а также эксплуатационных факторов;
организации активного практического внедрения результатов исследований на сети электрифицированных дорог и в директивные и нормативные документы по расчету, устройству и технической эксплуатации контактной сети, а также в справочные материалы отрасли.
Реализация работы.
Результаты проведенных исследований и практические рекомендации нашли отражение в « Правилах устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог», в 1984-1987 гг.Департаментом электрификации и электроснабжения МПС РФ утверждены «Инструкции по монтажу и эксплуатации натяжных (подвесных), фиксаторных, консольных и опорных полимерных изоляторов».
Прочностные и деформативные характеристики стеклопластиковых стержней включены в нормативно-технические документы для расчета полимерных изолирующих конструкций контактной сети, в частности, в 1987 году, Государственным проектно-изыскательским институтом
электрификации железных дорог и энергетических установок «Трансэлектропроектом», выпущен проект и рабочие чертежи поддерживающих и фиксирующих конструкций контактной сети из полимерных материалов, а в 1983 году проекты и рабочие чертежи: полимерных подвесных, натяжных, консольных, фиксаторных и опорных изоляторов контактной сети.
Технологическое оборудование и технологический процесс изготовления клееобжимного соединения оконцевателя со стеклопластиковым стержнем полимерных изолирующих конструкций контактной сети внедрены на опытном заводе ВНИИЖТа и Симферопольском электротехническом заводе.
Разработанные полимерные изолирующие конструкции контактной сети (подвесные, натяжные, консольные, фиксаторные изоляторы, изолирующие элементы, распорки) внедряются более чем на 12 электрифицированных железных дорогах, согласно НТП 054.01.02.10, со значительным экономическим эффектом.
Комплекс требований и критериев оценки полимерных изоляционных материалов для использования их в конструкциях контактной сети включены в нормативно-правовую и техническую документацию Организации содружества железных дорог.
Конструкции полимерных изоляторов контактной сети постоянного тока, в частности, с защитой металлических оконцевателен от электрохимической коррозии, вошли в каталог полимерных изоляторов, выпущенных Государственным проектно-изыскательским институтом электрификации железных дорог и энергетических установок «Трансэлектропроектом». Промышленная партия таких изоляторов эксплуатируется на контактной сети комбината «Кустанайасбест».
На базе разработанного технического регламента организовано производство изолирующих частей полимерных изоляторов с гладким
кремнийорганическим защитным покрытием на заводе «Киргизэлектро-изолит».
Разработанные в диссертации методы, алгоритмы и программы расчетов полимерных изолирующих конструкций контактных электрических сетей, с определением их напряженно-деформированного состояния используются Московским проектно-изыскательским институтом «Мосжелдорпроект» Московской железной дороги.
Применение результатов выполненных исследований о прочности, деформативности и диагноста стеклопластиковых профилей позволило НИИВН (Украина) значительно повысить долговечность полимерных изоляторов для линий электропередачи, включая линии высокого и ультравысокого напряжений.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты работы, выполненных автором исследований, неоднократно доложены, обсуждены, одобрены и рекомендованы к использованию на многочисленных совещаниях, научно-технических семинарах, конференциях, симпозиумах, включая международные, более чем за двадцатипятилетний период научных исследований и практической работы, в том числе на: заседаниях комиссии научно-технического совета МПС (1981г.); технических советах Департамента электрификации и электроснабжения МПС РФ (1979-1981, 1987, 1988 гт.); сетевых совещания по обмену передовым опытом работников служб электрификации и энергетического хозяйства; совещаниях, посвященных повышению надежности работы контактной сети и токоприемников в сложных условиях эксплуатации (гг. Москва, Петербург, Славянск (1983-1987 гг.); на курсах повышения квалификации работников железнодорожного транспорта в МИИТе (1982-1987 гг.); на научно-технической конференции МИИТа по внедрению разработок института в области электроподвижного состава и электрификации железных дорог (1980г.); на научно-технических совещаниях отделения электрификации
ВНИИЖТа (г. Москва 1984г.); на семинаре «Электробезопасность в промышленности» в Московском доме научно-технической пропаганды (г. Москва , 1985 г.); на I и II научно-практической конференциях МИИТа с Московской железной дорогой (г. Москва , 1983,1985гг.); на конференциях: «Перспективы применения полимерных материалов в железнодорожной технике» и «Надежность и безопасность электросетей и экономия электроэнергии в сельском хозяйстве и промышленности» (г. Севастополь, 1986г.); на совещании по применению фторопластовых, полиолефиновых и кремнийорганических трекингоэрозиостойких композиций в электросетевом строительстве (Петербург, 1986г.); на V Всесоюзной научной конференции «Проблемы охраны труда» (г. Рубежное, 1986г.); на научных конференциях «Недели Науки МИИТа » (1994-1996 гг.); на научном семинаре кафедры "Строительная механика"МИИТа под руководством проф. Александрова А.В. (1989г.); на ученом совете факультета "Мосты и тоннели" МИИТа (1990г.); на I и II Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (г. Москва, 1994, 1996гг.); на заседании Московского отделения Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Москва , 1997г.); на заседаниях кафедры "Строительная механика" МИИТа (г. Москва, 1990,1997гг.)
Основные технические решения, разработанные и реализованные автором в изолирующих конструкциях контактной сети из полимерных материалов удостоены: дипломов международных выставок «Железнодорожный транспорт» 1984 и 1986гг., золотой и бронзовой медалями ВВЦ (ВДНХ) и т.д. Организационные, методические и методологические положения использованы в содержании нормативных актов по применению полимерных материалов в конструкциях контактной сети стран СЭВ, включая Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог и систему стандартов безопасности труда, в том числе «Знаки безопасности на объектах железнодорожного транспорта»
Публикации. Материалы диссертации отражены в 47 опубликованных печатных работах, 8 авторских свидетельствах на изобретения , а также в монографии "Полимерные материалы в устройствах контактной сети" М., Транспорт , 1988 г., изложены в 28 отчетах по научно-исследовательским работам, выполненным под руководством или при непосредственным участием автора по основным планам НИР МПС, МИИТа, ВНИИЖТа и стран СЭВ, хозяйственным договором НИИВН (Украина), ЦНИИС им. Кучеренко, комбинатом «Кустанайасбест», а также в порядке научного сотрудничества с другими организациями, например Всероссийским научно-исследовательским институтом транспортного строительства и Украинским ВНИИСПВ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения , б глав, выводов, списка литературы. Рукопись изложена на 225 страницах машинописного текста, содержит 135 рисунков,63 таблицы и 13 приложений .
