Содержание к диссертации
Введение
1. Коррозионное состояние подземных сооружений железнодорожного транс порта 13
1.1. Анализ коррозионного состояния заземляющих устройств тяговых подстанций 13
1.1.1. Существующие методы определения технического состояния заземляющих устройств 19
1.2. Коррозионное состояние и особенности защиты от коррозии кабелей в алюминиевых оболочках и шланговом изолирующем покрытии 21
1.2.1. Методы определения мест повреждения изоляции кабеля 34
1.3. Опоры контактной сети и методы определения их коррозионного состояния 37
1.3.1. Опоры контактной сети и факторы, снижающие срок их службы... 38
1.3.2. Состав и свойства цементного камня 41
1.3.3. Существующие методы определения коррозионного состояния опор контактной сети 46
1.3.3.1. Способы определения низкоомных опор в группе 47
1.3.3.2. Методы оценки коррозионного состояния опор контактной сети 48
1.4. Формулировка проблемы и определение задач исследования 52
2. Параметры переходного сопротивления алюминиевого проводника в местах повреждения полимерного изолирующего покрытия 55
2.1. Граница раздела электрод - электролит в цепях постоянного и переменного тока 57
2.2. Описание экспериментальной установки обработка результатов измерений 60
3. Электромагнитное поле линейных изолированных проводников и их параметры 68
3.1. Изолированный цилиндрический проводник в однородном пространстве 70
3.2. Трубчатый изолированный проводник в однородном пространстве 81
3.3. Трубчатый изолированный проводник в нижнем полупространстве 83
3.4. Взаимные параметры изолированных проводников 98
3.5. Экспериментальное определение собственного сопротивления стальных проводников различной формы 105
4. Распределение тока и потенциала по кабелю с поврежденным полимерным изолирующим покрытием 115
4.1. Входное сопротивление кабеля с поврежденным изолирующим покрытием 1 1 5
4.2. Распределение тока и потенциала по кабелю с поврежденным изолирующим покрытием 118
4.3.Изменение амплитуды и фазы тока в местах повреждения изолирующего покрытия кабеля 124
5. Разработка методов определения мест повреждения кабеля 130
5.1. Методы определения мест повреждения изоляции кабеля 130
5.2. Напряженность магнитного поля кабеля с поврежденным изолирующим покрытием 135
5.3. Потенциал поверхности земли от тока, стекающего мере І повреждение 142
5.4. Потенциал поверхности земли от тока, стекающего через изолирующий покров кабеля 144
5.5. Устройства для определения мест повреждения изоляции кабеля 148
5.5.1. Контактный метод поиска повреждения кабеля 148
5.5.2. Фазовый метод поиска мест повреждения кабеля 153
5.5.3. Определение мест повреждения кабеля с использованием А М сигнала 161
6. Электрохимический метод определения коррозионного состояния опор контактной сети 165
6.1 Определение параметров границы раздела «арматура бетон» 171
6.2. Разработка методики определения коррозионного состояния арматуры железобетонных опор 178
6.3 Аппаратура и программное обеспечение 182
7. Определение технического состояния элементов заземляющего устройства тяговых подстанций 191
7.1. Распределение токов в элементах эквипотенциального заземляющего устройства 192
7.2.Распределение тока и потенциалов в элементах неэквипотенциального заземляющего устройства 197
7.3. Распределение напряженности магнитного поля на поверхности земли от тока в элементах заземляющего устройства 206
7.4. Потенциал поверхности земли от тока, стекающего с элемента заземляющего устройства 214
7.5. Технические средства повышения долговечности заземляющих систем тяговых подстанций 215
7.5.1. Автоматическая дренажная установка 21 8
7.5.2. Определение технического состояния элементов заземляющих устройств 225
Заключение 232
Библиографический список 235
Приложение 1
- Коррозионное состояние и особенности защиты от коррозии кабелей в алюминиевых оболочках и шланговом изолирующем покрытии
- Описание экспериментальной установки обработка результатов измерений
- Трубчатый изолированный проводник в нижнем полупространстве
- Распределение тока и потенциала по кабелю с поврежденным изолирующим покрытием
Введение к работе
Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта осуществляется за счет увеличения пропускной и провозной способности железных дорог, что требует применения современных систем электроснабжения, их надежной и безотказной работы. Кроме того, применение систем управления транспортом, включающих в себя элементы вычислительной техники, систем передачи и обработки больших информационных потоков требует внедрения волоконно-оптических систем передачи информации, расширения кабельных сетей электроснабжения и связи и их надежной и безотказной работы.
Важнейшими элементами системы электроснабжения электрифицированных железных дорог, железнодорожной автоматики и связи являются подземные конструкции, к которым относятся заземляющие системы, подземные части опор контактной сети и подземные кабели всех назначений. Подземные коммуникации обеспечивают функционирование систем, и их безопасное обслуживание и защиту этих систем в условиях грозовых разрядов и токов короткого замыкания как ЛЭП высокого напряжения, так и тягового электроснабжения. Нормальное функционирование системы электроснабжения напрямую зависит от надежности контактной сети, элементами которой являются опоры -ответственные и дорогостоящие сооружения устройств тягового электроснабжения [1]. В процессе эксплуатации опоры подвергаются различным воздействиям, приводящим к изменению первоначальных значений прочностных характеристик бетона и арматуры. В результате этих воздействий изменяется несущая способность опоры, возрастает вероятность превышения нагрузкой фактической несущей способности опоры и, как следствие, увеличивается вероятность ее падения [2]. Из общего числа опор (1,5 млн) железобетонные составляют около 90 %. Для электрифицированных участков железных дорог постоянного тока одной из наиболее серьезных проблем является коррозия железобетонных опор под действием блуждающих токов при попадании потенциала обратной тяговой сети на арматуру [3, 4]. Ежегодно по этой причине приходится заменять (0,4-1) % от общего количества опор. Часто среди заменяемых оказываются те, чей ресурс еще не выработан, и которые еще могут находиться в эксплуатации. В то же время выход из строя опоры, как правило, является ел ка-зом катастрофическим, который приводит к существенным экономическим потерям и может сопровождаться аварийными ситуациями с тяжелыми последствиями.
По этой причине разработка методов и аппаратуры определения коррозионного состояния подземной части железобетонных опор без откопки является актуальнейшей задачей, направленной на повышение надежности, снижение затрат на содержание контактной сети и повышение безопасности движения поездов.
Железнодорожный транспорт имеет развитую сеть кабельных линий электроснабжения, магистральных и местных линий связи, кабельных линий контроля и автоматики. Использование кабелей в алюминиевой оболочке и полимерном покрытии значительно повышает надежность работы линейных сооружений систем электроснабжения и связи [5]. Они длительное время сохраняют высокое переходное сопротивление металлических элементов кабеля относительно земли, надежно обеспечивая тем самым защиту как от почвенной коррозии, так и от коррозии блуждающими токами и имеют значительный КЗД за счет высокой проводимости алюминия. Кроме того, кабели с алюминиевой оболочкой или токоведущей жилой и качественным полимерным изолирующим покрытии примерно на 30 % дешевле аналогичных бронированных, поэтому их применение дает существенный экономический эффект. Однако полимерное изолирующее покрытие, имея низкую механическую прочность, в процессе транспортировки, укладки и эксплуатации кабеля может быть повреждено. %ак показывает опыт, эксплуатации кабельных систем с поврежденным изолирующим покрытием, токоведущая жила или оболочка кабелей электроснабжения или связи в местах повреждения быстро выходит из строя по причине коррозии. Процесс коррозии ускоряется, если трасса кабеля проходит в зоне распространения блуждающих токов электрифицированного рельсового транспорта, где обратным проводом служит рельс. Учитывая что алюминий и месі очень «узкий» потенциальный диапазон в котором скорость коррозии минимальна то существующие активные методы [6] не обеспечивают защиты от коррозии подобных кабельных систем, особенно в условиях работы электрифицированного железнодорожного транспорта. Одним из способов обеспечения безаварийной работы кабеля является быстрое и точное определение мест повреждения изоляции и его устранение.
Отсутствие приборов и приборного контроля за коррозионным состоянием элементов заземляющих систем, а также отсутствие возможности организации повседневного визуального контроля увеличивает риск отказа заземляющей системы. Наличие коррозионных потерь в элементах заземляющих систем может стать причиной недостаточной термической устойчивости. В этих условиях вслед за термическим повреждением заземлителеи получают повреждения другие подземные конструкции: кабели, трубопроводы, фундаменты. Термическое повреждение заземлителеи может явиться также причиной отказа в работе защит от токов коротких замыканий, вследствие чего ущерб от аварии может быть сопоставим со стоимостью электротехнического оборудования подстанции. Существующие методы и аппаратные средства [7] не обеспечивают определения технического состояния заземляющих систем в полном объеме, особенно в условиях функционирования электрифицированного железнодорожного транспорта поэтому актуальными являются задачи предупреждения коррозии заземляющих устройств тяговых подстанций, опор контактной сети и других подземных конструкций систем электроснабжения железнодорожного транспорта.
Основные теоретические положения, используемые в работе базируются на законах электромагнитного поля, коррозии и защиты металлов, теории заземлителеи. Изучению электромагнитного поля в среде от линейных источников посвящены многочисленные работы геофизиков и электротехников. Теоре тические положения о закономерностях формирования составляющих электромагнитного поля и зависимость этих составляющих от свойств среды первоначально были разработаны основоположниками отечественной геофизической школы электроразведки В. А. Фоком и В. Р. Бурсианом [8]. Опубликованные в 50-х годах прошлого столетия работы А. Н. Тихонова [9] Д. Н. Шахсуварова [10] и С. М. Шейнмана [11] явились обоснованием для целей электроразведки методов с использованием переменных электромагнитных полей и методов становления электромагнитного поля. Приблизительно в это же время были опубликованы исследования Л. Б. Гасаненко, И. С. Гельфанда и В.И. Дмитриева [12-14] о распространении электромагнитного поля в слоистых средах. В работах Л. Л. Баньяна, А.В. Вешева, А. А. Кауфмана, А. И. Заборовского и др., [15-17], основные положения выдвинутые А. Н. Тихоновым доведены до практического применения. Хотя перечисленные работы имеют чисто геофизическое применение, способы решения задач и полученные результаты и выводы имеют прямое отношение к решаемым в работе задачам. Кроме геофизиков значительный вклад в развитие теории электромагнитного поля внесли специалисты изучавшие взаимное влияние сильночных цепей на сети связи конечной или бесконечной длины.
Первые работы по исследованию индуктивного влияния бесконечно длинного провода, расположенного над однородной землей были опубликованы в 1926 году Поллячеком [18] и Карсоном [19], через значения составляющих электромагнитного поля были получены выражения для определения взаимного сопротивления бесконечно длинного проводника расположенною над однородной землей. В последствии Као-Ю-Кан [20] показал что решения полученные Поллячеком и Карсоном эквивалентны.
Большая работа по созданию теории влияния сильноточных цепей на линии связи и разработке методов защиты от внешних электромагнитных полей была выполнена М. И. Михайловым и Л. Д. Разумовым [21, 22 ], М. В. Костенко [23 ], Г. А. Гринбергом и Б. Э. Бонштедтом [24 ], М. Г. Шалимовым [25, 26] Л. Г. Поздняковым,[27, 28 ], В. У. Костиковым [27 ], и др. В работах М. Г. Шалимова на основе теории дипольных источников получены выражения для определения составляюших электромагнитного поля проводника расположенного над однородной или многослойной землей через которые определяются как собственные параметры проводников , так и параметры влияния. На основе работ выполненных М. Г. Шалимовым Л. В. Шагарова получила приближенные выражения для составляющих электромагнитного поля бесконечно длинного проводника расположенного над двухслойной землей. В. У. Костиковым и Л. Г. Поздняковым предложен способ приведения многослойной структуры земли к эквивалентной - однородной, который получил название как метод «свертывания геоэлектрического разреза» и нашло широкое применение на практике. Кроме того Л. Г. Поздняковым выполнены работы по исследованию взаимного влияния между однопроводными линиями конечной длины. В работе опубликованной Э. П. Каскевичем [29 ] представлены результаты по определению кажущегося удельного сопротивления земли с учетом его вероятностного характера. В последствии он предложил методику статистической обработки первичной информации по учету неоднородности строения земли и параметров влияния, что позволило определить минимальный объем измерений, обеспечивающий заданную точность получаемых результатов.
Несмотря на достаточно большое количество работ в этой области, существует некоторая неопределенность при вычислении параметров изолированных проводников проложенных в земле [30]. Например в известных литературных изданиях [31], [22] в выражении для определения полной переходной проводимости отсутствует однозначность в применении волнового числа земли «к» и постоянной распространения «у». Кроме того, во многих работах скорость распространения электромагнитной волны принимается равной скорости света [31], [32-34].
Теоретические основы эксплуатационного контроля заземляющих систем электроустановок основываются на общетеоретических положениях начало ко торым положено в широко известной работе Ф. Оллендорфа [35] в которой были получены решения для простейших заземлителей располагаемых в однородной земле. Аналогия между электростатическим полем и полем постоянного тока в земле высказанная Ф. Оллендорфом долгое время являлось основополагающим при построении методов расчета основных параметров заземляющих систем [36], [37]. Этот этап позволил исследовать основные закономерности распределения потенциального поля в грунте для простых и сложных заземлителей [37] [38]. Развитие энергетики, увеличение мощности сетей и токов замыкающихся через землю и заземлители потребовали увеличения точное і и расчета и учета реального строения земли. Интегрируя функцию для точечного источника В. В. Бургсдорф получил решение применительно для двух и ірех слойной земли с переменными границами раздела между слоями [39]. Для расчета сложных заземляющих систем А. И. Якобе, теоретически обосновал метод наведенного потенциала [40-42] применительно для грунтов с неоднородными электрическими параметрами. Для аналогичных условий А. Б. Ослон применил метод оптической аналогии [43]. Очередным шагом в совершенствовании методов расчета является учет продольного сопротивления ферромагнитных проводников (из которых сооружается заземлитель) переменному току. Такие работы были выполнены А. И. Якобсом и П. И. Петровым, [44] Р. Н. Корякиным и В. К. Добрыниным, [45] и др. Применение стальных конструкций для заземляющих устройств, кроме учета нелинейной токовой зависимости продольного сопротивления, выдвигает задачу защиты этих конструкций от коррозии.
Применение вектор-потенциальной функции для расчета электромагнитного поля от простых и сложных заземлителей предложенный Г. Г. Пучковым [46], позволяет решать задачи электромагнитной совместимости на территории подстанции, учета взаимного индуктивного влияния между элементами заземляющего устройства, а также между элементами заземляющего устройства и внешними токонесущими конструкциями.
Большая работа по защите элементов заземляющих уеіройсів о і корро зии, с учетом особенностей развития коррозионных процессов в заземляющих системах была выполнена Ю. В. Целебровским и Ю. В. Деминым [47-50]. Заземляющее устройство, с многочисленными гальванически связанными сооружениями, заходящими на территорию подстанции и выполненные из разных конструкционных материалов (алюминий, свинец, сталь итд.) они рассматривали как многоэлементную коррозионную систему.
Вопросам приборного эксплуатационного контроля заземляющих систем посвящены работы Р. К. Борисова [51] и Б. Е. Дынькина [52].
Измерение поляризационного потенциала системы металл - электролит и вообще задача исключения омической составляющей из результата измерения общего потенциала сооружения является достаточно сложной инженерной задачей. Однако, высокая информативность поляризационного (электродного) потенциала о коррозионном состоянии системы металл-электролит стимулирует работы в этой области. Существующие методы измерения поляризационного потенциала можно разделить на компенсационные и релаксационные. Первые схемы с использованием компенсационного метода были выполнены в США и получили название нулевой цепи Пирсона [53]. Основой компенсационного метода является мостовая схема измерений. Компенсационный метод используется преимущественно в лабораторных исследованиях и мало пригоден для полевых измерений в силу особенностей которыми этот метод обладает.
Принцип работы измерительных схем использующих релаксационный метод, основан на разной скорости формирования омической и поляризационной составляющих потенциала сооружения при полной или частичной коммутации источника поляризующего тока. Большой вклад в разработку релаксационных методов внесли Н. П. Глазов В. В. Притула И. В. Стрижевский [54-58]. Метод вспомогательного электрода теоретически обоснованный Н. П. Глазовым в настоящее время является основным способом при определении поляризационного потенциала на отечественных нефте-газопроводах. Имеются другие разновидности методов измерения поляризационного потенциала [59-62] однако они не нашли широкого практического применения.
Коррозионное состояние и особенности защиты от коррозии кабелей в алюминиевых оболочках и шланговом изолирующем покрытии
Использование кабелей с алюминиевой оболочкой значительно удешевляет стоимость линейной части проектируемых и эксплуатируемых систем связи или электроснабжения, однако алюминий, имеющий значительный стационарный потенциал (Uc = -1,6 В), при наличии соединений с металлами, имеющими более высокий стационарный потенциал [73], например со сталью (Uu -0,55 В) или свинцом (UCB -0,6 В), при определенных условиях начинает разлагаться, защищая от коррозии металл с более высоким стационарным потенциалом [74]. Классическим примером этого является повреждаемость алюминиевой оболочки вблизи свинцовой муфты при потере гидроизоляции последней. Поэтому алюминиевую оболочку изолируют от земли с использованием полимерных материалов. Кабели в алюминиевой оболочке в шланговом изолирующем покрытии длительное время сохраняют высокое переходное сопротивление оболочки, надежно обеспечивая тем самым защиту как от почвенной коррозии, так и от коррозии блуждающими токами. Изменение сопротивления шлангового покрытия во времени зависит от многих факторов и в первую очередь - от РН среды, влажности и состояния полиэтиленового полимерного покрытия. Сопротивление полиэтиленового шланга, находящегося под механическим напряжением, уменьшается значительно быстрее. Исследования изменения сопротивления изоляции шлангового полимерного покрытия на действую щих кабельных магистралях показали, что оно со временем уменьшается, но изменение происходит в основном не за счет распределенного сопротивления шланга (т. е. материала покрытия), а за счет «затекания» муфт и потери ими своих изолирующих свойств. Кроме того, в процессе укладки кабеля может быть повреждено изолирующее покрытие оболочки. В начальный период эксплуатации понижение сопротивления изоляции в достаточно сухих грунтах окажется несущественным и проявит себя через определенный промежуток времени. Скорость изменения переходного сопротивления в значительной степени зависит от характера повреждения. Дефекты могут появляться и в период эксплуатации, особенно если в одной траншее уложены кабели с броней и джутовым покровом и кабели с покрытиями шлангового типа. Как показывает опыт эксплуатации подобных кабельных систем, при профилактических и ремонтно-восстановительных работах на соседних кабельных магистралях шланговое покрытие зачастую оказывается поврежденным. Независимо от причины появления дефекта в шланговом покрытии алюминиевая оболочка в месте дефекча, как правило, очень быстро выходит из строя по причине коррозии. Процесс коррозии ускоряется, если трасса кабеля проходит в зоне распространения блуждающих токов электрифицированного транспорта. В этом случае между поврежденным участком изоляции оболочки кабеля и землей может прикладываться значительная разность потенциалов, которая, как показывают измерения, может достигать десятков вольт. Кроме того, кабели могут находиться в зоне индуктивного и гальванического влияния линии продольного электроснабжения, цепей питания устройств автоблокировки и линий электропередачи параллельного сближения.
Электрохимические методы защиты алюминиевых оболочек кабеля в шланговом изолирующем покрытии в ряде случаев оказываются малоэффективными, поэтому определение и устранение мест повреждения изолирующего покрытия кабеля является одним из эффективных методов продления его срока службы и предотвращения аварийной ситуации. Кроме того, скорость коррозии люминия стремится к минимуму в очень узком потенциальном диапазоне ( 0,85; -1,38 В). Обеспечить на всей длине усилительного участка данный потенциальный диапазон практически невозможно даже с применением автоматических средств защиты от коррозии. Предлагаемый метод защиты кабельных магистралей в шланговом изоляционном покрытии [6, 75,76] значительно снижает потенциал оболочки кабеля относительно «близкой земли». Однако, учитывая случайный характер изменения потенциала оболочки относительно «близкой земли» при электротяге постоянного тока, можно предположить, что часть времени защитный потенциал окажется выше или ниже допустимого. Для определения среднего времени пребывания защитного потенциала в заданном потенциальном диапазоне воспользуемся методикой, изложенной в работе [77].
Известно, что потенциал сооружения относительно «близкой земли», как случайный процесс, имеет нормальный закон распределения [78, 79]. Кроме того, этот случайный процесс является стационарным. Для него получено выражение [80, 81], определяющее среднее время пребывания случайного процесса U{t) выше заданного уровня: где f(u) -плотность распределения случайной функции; Т - время. При Т = 1 выражение (1.1) перепишется так: Ф где m и а -математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение случайной функции.
Выражение (1.2) решается с помощью табулированного интеграла вероятности [81]: В данном случае заданным уровнем считаются нижний (-1,38 В) и верхний (-0,85 В) пределы потенциального диапазона, в которых скорость коррозии стремится к нулю. Обозначим а — -0,85 В, j3 =-1,38 В. Определим среднее время ta пребывания случайной функции U(t) выше уровня a, а затем- среднее время tj3 пребывания случайной функции U(t) выше уровняр (рис. 1.6).
Результаты расчета, выполненные по выражению (1.4) для разных значений m и о, приведены в виде графика на рис. 1.7. Из полученных результатов следует, что среднее время пребывания потенциала «кабель - близкая земля» в заданном диапазоне определяется параметрами случайной функции m и о, а также «шириной» потенциального диапазона а - (3.
Защитный потенциал для всего времени Т находится в заданном диапазоне, если величина m тоже в этом диапазоне и а = 0, t3 = t2 -1 +14 -13 (см. рис. 1.7). Во всех других случаях часть времени t = T3 потенциал оболочки кабеля окажется за пределами заданного потенциального диапазона, в котором скорость коррозии велика. Сложившиеся представления о коррозийной безопасности переменного тока промышленной частоты во многих случаях подтверждаются. Это объясняется прежде всего тем, что переменный ток стекает со всей поверхности плохо изолированного сооружения и плотность его невелика. Наличие емкости двойного электрического слоя на границе раздела сред
Описание экспериментальной установки обработка результатов измерений
Сложная зависимость параметров двойного электрического слоя от многих факторов, учет которых не всегда представляется возможным, а также отсутствие достоверной математической модели двойного электрического слоя не позволяют расчетным путем получить значения емкости двойного электрического слоя и поляризационного сопротивления. Наиболее целесообразно определять параметры двойного электрического слоя экспериментально. Для этой цели изготовлялся специальный электрод. С отрезка кабеля МКСАП 4x4 длиной 50 мм удалялись шланговый изолирующий покров и подклеивающий слой.
Далее электрод помещался в специальную форму и заливался пластмассой «протакрил», которая совершенно инертна с точки зрения взаимодействия с раствором электролита или исследуемым металлом. Общий вид электрода показан нарис. 2.3.
Измерение сопротивления двойного электрохимичесого слоя проводилось с помощью моста переменного тока Р-568, предназначенного для коррозионных исследований.
Эквивалентная электрическая схема электрохимической ячейки приведена на рис. 2.4, где Сд и Rn - емкость и сопротивление двойного электрического слоя исследуемого электрода; Сдэ и Ядэ - емкость и сопротивление дополнительного электрода. Дополнительным электродом служил корпус ячейки, в качестве которого использовался сосуд из инертного материала (рис.2.5). Так как площадь дополнительного электрода во много раз больше исследуемого, то Сд э » Сд; R-д э « Rn, поэтому параметрами дополнительного электрода в измерениях пренебрегали [108].
Сопротивление раствора Rp определялось на частоте 100 кГц. На такой высокой частоте параметры двойного электрического слоя электродов не оказывают заметного влияния на результат измерения Rp. Измерения параметров двойного электрического слоя исследуемого электрода проводились в средах с различным удельным сопротивлением раствора. Удельное сопротивление раствора подбиралось изменением концентрации NaCl и температуры раствора. Измерения удельного сопротивления раствора проводились с помощью четы-рехэлектродной установки с расстоянием между электродами 1см.
Из результатов измерений, выполненных с помощью моста Р-568, для последовательной схемы замещения элементов электрохимической ячейки вычиталось сопротивление раствора. Полученные таким образом значения параметров двойного электрического слоя исследуемого электролита в последовательной схеме замещения пересчитывались далее в параллельную схему замещения.
Результаты измерений и расчетов параметров двойного электрического слоя приведены на рис. 2.6 и 2.7, емкостное сопротивление двойного электрического слоя - на рис. 2.8. Методика измерения электрических параметров границы раздела «металл- электролит» и определение допускаемой относительной погрешности измерений приведены в приложении 7.
В условиях эксплуатации кроме параметров двойного электрического слоя на величину полного переходного сопротивления существенное влияния оказывает сопротивление растеканию, которое зависит от удельного сопротивления среды и размеров повреждения изолирующего покрова [109, 110]. Для определения влияния сопротивления растеканию оболочки в местах повреждения изоляции на полное переходное сопротивление заменим поврежденный участок равновеликим полусферическим источником, находящимся на глубине закопки кабеля.
Так как линейные размеры повреждения много меньше глубины закопки кабеля, то поврежденный участок можно рассматривать как площадь окружности с радиусом г. Радиус полусферы у определяется из условия равенства поврежденного участка и полусферы: где г - радиус окружности повреждения; Д - диаметр полусферы.
Сопротивление растеканию полусферы, помещенной на глубину h, во много раз превышающую размер полусферы, определяется из выражения [46]: P
Таким образом, полное переходное сопротивление является величиной комплексной. При увеличении площади повреждения Сд- оо,а Rn—»0. По Ф еле подстановки этих значений в выражение (2.5) первое слагаемое обратится в ноль, а второе - в неопределенность вида —. Применяя правило Лопиталя ко второму слагаемому, убеждаемся, что оно также стремится к нулю. Для подземного сооружения имеющего диаметр Дс можно записать:
Относительная дефектность So, может служить количественным показателем качества изолирующего покрытия, если S0 — 0, то изолирующее покрытие повреждений не имеет, если So — 1, изолирующее покрытие отсутствует полностью. Подставляя в выражение (2.5) значения Rn и Сд из (2.6) и (2.7) получим; 1. Полное переходное сопротивление изолированного алюминиевого проводника в местах повреждения изоляции имеет емкостной характер и изменяется в широких пределах в зависимости от частоты удельного сопротивления среды и параметров повреждения.
Трубчатый изолированный проводник в нижнем полупространстве
Бесконечно длинный изолированный проводник расположен в нижнем пространстве на глубине h от поверхности земли. По кабелю протекает ток з» М З» з в М-в в числе можно пренебречь, что соответствует пренебрежению токами смещения по сравнению с токами проводимости. Из сравнения волновых чисел к3 и кв следует, что к3»кв, следовательно, волновым числом воздуха можно пренебречь. На расстоянии S от начала координат выделим элемент dS (рис.3.4). В нижнем полупространстве будет присутствовать первичное поле и вторичное, отраженное от границы раздела сред. Кроме отраженной и преломленной волн наличие границы раздела ведёт к появлению новых составляющих вектор-потенциальной функции.
В соответствии с [119] вектор-потенциал диполя запишется в виде; Взаимодействие токов утечки с кабеля I = -dI/dS с границей раздела ведет к появлению вертикальных составляющих вектор- (64) Учитывая, что вектор-потенциальная функция и составляющие электромагнитного поля на поверхности земли формируются ограниченным отрезком проводника, ток влияющего отрезка можно принять постоянным; таким образом, при интегрировании выражения представляется возможным вынести ток за (з) знак интеграла. Выражение для определения А ; запишется:
Вектор-потенциальную функцию бесконечно длинного кабеля в однород Воспользовавшись интегральным представлением Зоммерфельда, получим [120]:
Из выражений (3.76) следует, что вертикальные составляющие А7 в верхнем и нижнем полупространстве определяются от единственной точки s = в. Поэтому для определения А 2 бесконечно длинного кабеля выражения (3.76) интегрируются в бесконечных пределах:
Подставляя в (3.77) значения подынтегральных функций, окончательно для вертикальных составляющих получим:
Таким образом, горизонтальные составляющие вектор-потенциальной функции при наличии границы раздела определяются выражениями (3.71) и (3.72), а вертикальные - (3.78).
Вносимое в оболочку кабеля сопротивление при наличии границы раздела сред определяется из следующего выражения [100]:
Численные расчеты интеграла в последнем выражении для случая СХВ =0t3 показали, что погрешность для частоты 10 кГц и 0"3= 1 См/м достигает 22 % по сравнению учета ави а3. С уменьшением частоты погрешность уменьшается, и на частоте 20 Гц она составляет 3 %. Однако доля рассматриваемого интеграла во вносимом сопротивлении составляет примерно 30 %, поэтому в вычислении вносимого сопротивления она будет незначительна, если принять aB = a3 :
Из сравнения выражений (3.81) и (3.33) следует, что граница раздела «земля — воздух» в первом приближении не оказывает влияния на значение вносимого сопротивления. Переходное сопротивление оболочки определяется выражением (3.43), в котором (р = Дср + ф 3Л Зная величину вектор-потенциальной функции в земле, можно найти значение ф(3), Аф(и) определяется выражением (3.46): или полная переходная проводимость
Модуль постоянной распространения определяется использованием результатов расчета продольных параметров кабеля типа МКСАП 4 4 и полной переходной проводимости Y между металлической оболочкой и землей для кабеля типа МКСАШП 4x4 [22]. Геометрические размеры металлической оболочки, материал и размеры шлангового изолирующего покрытия этих двух кабелей одинаковы. Результаты расчета у приведены на (Рис. 3.6).
Из сравнения результатов вычислений к3 и у следует, что для оболочки кабеля в шланговом изолирующем покрытии в спектре частот до 10 кГц
В процессе эксплуатации полимерное изолирующее покрытие и металлическая оболочка кабеля подвергаются воздействию окружающей среды под действием которых изолирующее покрытие кабеля стареет и теряет свои изолирующие свойства. При наличии в полимерном изолирующем покрытии кабеля множественных повреждений, или появлении, в процессе эксплуатации микротрещин, влага из окружающей среды будет проникать к металлу оболочки кабеля. Наличие подобных повреждений невозможно учесть как сосредоточенные нагрузки подключенные к кабелю. Независимо от причин появления множественных повреждений они будут снижать общее переходное сопротивление изолирующего покрытия. В этом случае общая проводимость будет фор
Распределение тока и потенциала по кабелю с поврежденным изолирующим покрытием
Основным показателем, характеризующим передачу энергии от генератора к нагрузке, является постоянная передачи gp. Являясь величиной комплексной gp = a + jb, она отражает изменение сигнала по длине кабеля как по амплитуде а, так и по фазе Ь.
В общем случае рабочая постоянная передачи определяется через половину натурального логарифма отношения мощностей: где So - комплексная мощность, отдаваемая генератором согласованному с ним приемнику при отсутствии передающей системы; Se - комплексная мощность, отдаваемая тем же генератором приемнику с произвольным сопротивлением ZH, через передающую систему. Кабельную линию при наличии повреждений в шланговом изоляционном покрытии можно представить в виде последовательных соединений полных и неполных четырехполюсников [136]. Полные четырехполюсники - это участки кабельной линии, заключенные между соседними повреждениями. Места повреждения изоляции оболочки являются неполными четырехполюсниками. Схема замещения кабельной линии с поврежденным изолирующим покрытием приведена на рис. 4.2 [137]. где g -характеристическая постоянная передачи, gc =yl; 7 - внутреннее сопротивление генератора; Zcl ,ZC2 характеристические сопротивления четырехполюсника в схеме замещения; P — коэффициент отражения, учитывающий несогласованность сопротивления генератора и линии; Рн - коэффициент отражения, учитывающий несогласованность нагрузки с линией.
Выражение (4.7) состоит из четырех слагаемых, которые учитывают условия согласования на генераторном и нагрузочном концах, а также собственное затухание линии и взаимодействие несогласованностей. Наличие последнего слагаемого несколько усложняет использование выражения (4.7) для расчета gp, особенно если расчет ведется с использованием малой вычислительной техники. Поэтому при цепочечном соединении четырехполюсников наиболее удобной является следующая формула: где ZBX — входное сопротивление четырехполюсника, нагруженного на произвольную нагрузку; gBX - постоянная передачи, обусловленная несогласованностью генератора с входным сопротивлением четырехполюсника; gn - постоянная передачи несимметричного четырехполюсника, Причем для і-го четырехполюсника
В выражении (4.14) gBX определяется по формуле (4.9); gm- - по (4.12) и gnK - по (4.13). Сопротивление нагрузки образовано параллельным соединени ем ZBx(i+l) и zni:
Затухание неполного четырехполюсника обусловлено поглощением определенной мощности на сопротивлении Zn и отражением в точке подключения Zn. Учитывая, что в схеме замещения (см. рис. 4.2.) полные четырехполюсники являются симметричными (Zcli = ZC2i = ZB), для определения ZBXj используем удобную формулу, которая не содержит гиперболических функций комплексного аргумента: частот, приведены в виде графиков на рис. 4.3, 4.4 Расположение повреждений по длине кабеля выбрано таким же, как в расчете входного сопротивления (см. рис. 4.1). Размер последнего повреждения принимался равным St = 0,5-10"6
Из полученных результатов следует: рабочая постоянная передачи за счет повреждений на низких частотах представляет собой значительную величину. Существует различие между значениями рабочей постоянной передачи, подсчитанными для повреждений с размерами Si и S2. С увеличением частоты эта разница уменьшается и на частоте более 100 Гц исчезает, рабочая постоянная передачи полностью определяется затуханием неповрежденных участков кабе ля.
