Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного технического состояния и методов расчёта распределительных сетей нетягового электроснабжения железнодорожного транспорта 9
1.1. Особенности электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей 9
1.2. Анализ количества отключений в системе электроснабжения по Куйбышевской железной дороге 11
1.3. Статистика отказов в системе электроснабжения нетяговых потребителей 14
1.4. Анализ расхода электроэнергии нетяговыми потребителями... 16
1.5. Анализ существующих методов расчёта токовой нагрузки для распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей 20
1.6. Анализ существующих систем расчёта токовой нагрузки для распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей методами имитационного моделирования 28
Выводы 37
2. Анализ тепловой устойчивости изоляции кабелей и кабельных муфт к повышенной токовой нагрузке 38
2.1. Особенности укладки и технической эксплуатации кабельных линий распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей 38
2.2. Существующие методы определения допустимых нагрузок на кабель 42
2.3. Экспериментальные исследования нагрева кабелей и их соединений
2.4. Тепловые процессы в кабельных муфтах 49
2.5. Основные тепловые характеристики кабелей и кабельных муфт 51
2.6. Тепловой расчёт кабельной муфты 52
2.7. Диэлектрические свойства изоляционных материалов 55
2.8. Определение допустимого тока длительной нагрузки кабельных соединений в соответствии с условиями прокладки кабеля 60
2.9. Расчёт допустимых токов с учётом влияния контактных соединений 62
Выводы 69
3. Структура имитационной модели контроля и моделирования режимов работы распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей 70
3.1. Математическая модель расчёта нагрузок в распределительной сети нетяговых железнодорожных потребителей 70
3.2. Определение вероятности отказа кабельных линий распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей 77
3.3. Построение прогнозирующей функции зависимости электропотребления от времени 80
3.4. Погрешности математических значений полученных функций 83
3.5. Разработка имитационной модели контроля и моделирования режимов работы распределительной сети нетяговых железнодорожных потребителей 86
Выводы 90
4. Повышение эффективности контроля и моделирование работы распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей 91
4.1. Мероприятия по повышению эффективности работы системы нетяговых потребителей 91
4.2. Результаты возможного использования разработанной имитационной модели на примере ЭЧС узла ст. Самара 94
Выводы 104
5. Экономическая эффективность применения средств диагностики в хозяйстве электроснабжения нетяговых потребителей 105
5.1. Нетяговое электроснабжение в системе железнодорожного транспорта 105
5.2. Обзор существующих методов работы с устройствами нетягового электроснабжения 110
5.3. Калькуляция затрат на диагностику, техническое обслуживание и ремонт электрооборудования района электросетей ст. Новокуйбышевская 119
5.4. Расчёт эффективности применения устройств и систем диагностики и прогнозирования отказов в системе нетягового электроснабжения 123
Выводы 129
Основные выводы и предложения 130
Список использованных источников
- Анализ количества отключений в системе электроснабжения по Куйбышевской железной дороге
- Существующие методы определения допустимых нагрузок на кабель
- Определение вероятности отказа кабельных линий распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей
- Результаты возможного использования разработанной имитационной модели на примере ЭЧС узла ст. Самара
Введение к работе
Актуальность работы. «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» одним из приоритетных направлений развития хозяйства электроснабжения ОАО "РЖД" определяет гарантированное обеспечение перевозочного процесса железных дорог. Решение этой задачи предполагается осуществлять посредством внедрения автоматизированных информационных технологий, совершенствования контроля и моделирования технологических процессов.
Перевозочный процесс невозможен без надёжной работы распределительных сетей, так как бесперебойное электроснабжение нетяговых железнодорожных потребителей обеспечивает необходимую эксплуатационную работу железных дорог. В связи с тем, что электропотребление нетяговых железнодорожных потребителей постоянно увеличивается, возрастает нагрузка на распределительные сети, что приводит к снижению их надёжности, вызывает отказы в их работе и может привести к задержке поездов. Проектирование распределительных сетей осуществлялось на значительно меньшие токовые нагрузки в отличии от имеющихся в настоящее время. Одним из элементов распределительных сетей, наиболее подверженных неисправностям в результате повышенной токовой нагрузки являются контактные соединения.
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) в качестве основных показателей нагрузочной способности распределительных сетей приняты длительно допустимая токовая нагрузка и экономическая плотность тока. Для оценки основных показателей нагрузочной способности распределительных сетей и проверки соответствия их техническим нормам, определёнными ПУЭ, используются инструментальные и расчётные средства контроля.
Однако существующие расчётные методы, в том числе с применением имитационного моделирования на ЭВМ, не предусматривают учёта влияния параметров контактных соединений на оценку ресурса кабельных линий распределительных сетей, что приводит к завышению его величины.
Таким образом, для повышения надёжности работы распределительных сетей
нетяговых железнодорожных потребителей РОс.тред^эдЛЬНА1>азработка
БНМИОТЕКА ..{
ГЗЯ#А
4 усовершенствованных методов контроля ресурса кабельных линий с учётом влияния на их работу контактных соединений.
Целью работы является снижение повреждаемости кабельных линий распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей за счёт совершенствования модели их функционирования и инструментальных средств контроля переходного сопротивления.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:
-
провести анализ существующих методов расчёта параметров электроснабжения распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей с позиции оценки их использования в задаче контроля и моделирования;
-
разработать методику определения функциональной зависимости коэффициента, учитывающего влияние контактных соединений, при расчёте допустимого тока кабельной линии;
-
разработать математическую модель расчёта электрических параметров распределительной сети с учётом влияния контактных соединений, обладающую возможностью определения вероятности отказа кабельной линии в зависимости от токовой нагрузки;
-
разработать имитационную модель расчёта токовой нагрузки в кабельной линии распределительной сети нетяговых железнодорожных потребителей на базе использования функциональной зависимости коэффициента;- учитывающего влияние контактных соединений, с использованием задаваемых и реальных данных об электропотреблении;
-
разработать технические средства контроля переходного сопротивления соединений кабельных муфт и программные средства расчёта токовой нагрузки в кабельных линиях и моделирования режимов работы распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей.
Основные методы научных исследований. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы теории линейных электрических цепей; имитационного моделирования; методы математического моделирования; теории вероятностей и математической статистики.
5 Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в усовершенствовании метода расчета распределительных сетей с применением имитационного моделирования. Основными научными результатами, полученными автором, являются:
имитационная модель функционирования распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей на базе инструментальных средств «Автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии» (АСКУЭ), позволяющая моделировать различные режимы с учётом влияния контактных соединений;
методика прогнозирования отказов в линиях электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей основанная на зависимости вероятности отказа в распределительных сетях от величины электропотребления.
Практическая ценность. Разработаны программные средства, повышающие точность расчёта токовой нагрузки и позволяющие моделировать режимы работы распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей; разработано устройство, предназначенное для измерения переходного сопротивления контактных соединений с повышенной точностью, за счет использования испытательного сигнала фиксированной частоты.
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены на ООО «Новокуйбышевский завод масел и присадок» при планировании производства и эксплуатации распределительных сетей предприятия.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на межвузовской научно-практической конференции «Вклад ученых вуза в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (Самара, 2003 г.); на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса» (Гомель, 2003 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2005» (Ростов-на-Дону 2005 г.); на международной научно-технической конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий», (Мариуполь 2005); на расширенном заседании кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Самарской государственной академии путей сообщения (2005 г.); на технических
совещаниях службы электроснабжения Куйбышевской железной дороги (2004, 2005
Г.Г.).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 16 печатных работах, включающих 5 статей и тезисы 4 докладов, 3 свидетельства на программный продукт, 2 свидетельства о регистрации интеллектуального продукта, два патента на полезную модель.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Общий объём диссертации составляет 144 страницы включая: 30 иллюстраций, 13 таблиц, список использованных источников из 107 наименований, 1 приложение на двух страницах.
Анализ количества отключений в системе электроснабжения по Куйбышевской железной дороге
Работоспособность устройств электроснабжения во многом зависит от своевременного ремонта и модернизации. Существует отчётная документация для учёта неисправностей в различных системах электроснабжения. Проанализировав эту документацию, можно выявить место и время наиболее частых отказов.
Анализ книг ЭУ-88, ЭУ-83, ЭУ-83А осмотров и неисправностей дистанций электроснабжения в период с 1985 по 2002 г.г., который можно считать наиболее полным, показал, что отказы имеют тенденцию локализации: по времени и по месту. На рис. 1.3 рассмотрен участок в 30 километров, обслуживаемый ЭЧС Новокуйбышевская. Легко определяются места наиболее частых отказов, а количество неисправностей обусловлено сроками последнего ремонта или технического обслуживания. Неисправности могут возникать вследствие случайных событий, например, из-за отдельных случаев вандализма, однако наибольшее число отказов произошло на станциях, вблизи от которых находятся жилой сектор или другие посторонние потребители 111. Очевидно, что причиной неисправностей служит большая токовая нагрузка на эти линии.
Анализ неисправностей ЭЧС Самара выявил, что в течении 2002 года 60% от общего числа неисправностей связаны с отказами в местах соединений. Наибольшее число отказов - это обрыв проводов и кабелей в местах контакта 16, 8/.
Анализ неисправностей ЭЧС ст. Новокуйбышевская в период с 1985-2002 г. В табл. 1.2 представлены часто повторяющиеся отказы в оборудовании рассмотренных систем электроснабжения.
Как видно из таблицы, около 30%) всех неисправностей происходит в кабельных линиях. На основании проведенных исследований отмечено повторение неисправностей через определённый промежуток времени в одном и том же месте /9, 10, 11/. При этом наиболее часто наблюдается обрыв проводов и кабелей вследствие нарушения контакта в местах соединений.
По характеру проявления отказы подразделяются на внезапные и постепенные. Если внезапные отказы наступают с некоторой вероятностью в дискретные моменты времени и практически не поддаются прогнозированию, то при постепенных отказах можно оценить характер изменения параметров и на этой основе определить прогнозирующую функцию.
Задачей исследования является определение вероятности и прогнозирование возможного отказа, связанного с нарушением контактных соединений. Перегрузки по току можно получить непосредственным измерением по расходу электроэнергии /8,9, 11/.
Потребление электроэнергии нетяговыми потребителями зависит от количества потребителей, их установленной мощности, коэффициента использования мощности и времени работы оборудования в смену. Общее количество потребителей в хозяйствах железных дорог составляет несколько сот тысяч. Наиболее энергоемкими из них являются: - электропривод станков, кранов, компрессоров, насосов, вентиляторов, специальных агрегатов мощностью от 0,5 до 250 кВт; - электросварочные установки мощностью от 2 до 50 кВт; - электропечи, калориферы и другие аппараты мощностью от 3 до 25 кВт; - выпрямительные установки мощностью от 0,5 до 10 кВт; - электроосветительные приборы мощностью от 0,04 до 5 кВт.
Электропотребление нетяговыми потребителями во многом определяется уровнем развития автоматизации и механизации производства. Как показывает мировой и отечественный опыт (табл. 1.3), совершенствование технологических процессов, их автоматизация и механизация сопровождаются неуклонным увеличением количества потребляемой электроэнергии, приходящейся на одного штатного работника.
Планирование потребления электроэнергии выполняется в зависимости от объемов конкретной производственной деятельности объектов хозяйств (продукции, работ, услуг) по удельным нормам расхода электроэнергии на единицу продукции. Одним из важных показателей, характеризующих затраты электроэнергии на производственно-технологические нужды, является установленная мощность нетяговых потребителей электроэнергии.
Существуют предприятия, которые потребляют электроэнергию от системы электроснабжения железной дороги - это производственные цеха, склады, гаражи, жилые посёлки и т.д. Установленную мощность железнодорожных потребителей можно контролировать, в то время как контроль сторонних затруднён. Анализ расхода электроэнергии нетяговыми потребителями железнодорожного транспорта показал, что их потребление постоянно корректируется, разрабатываются различные методики, нормы и мероприятия по снижению расхода электроэнергии как на тягу поездов, так и на эксплуатационные нужды. В рамках исследования причин отказов и неисправностей в системе нетягового электроснабжения был проведён анализ электропотребления нетяговыми потребителями.
Для анализа были взяты данные о электропотреблении нетяговых потребителей двух сетевых районов Куйбышевской железной дороги. Анализ электропотребления сторонних потребителей показал, что их число растёт из года в год, а объёмы потребления электроэнергии для них неумолимо увеличиваются. В период с 1997 г. по настоящее время потребление электроэнергии нетяговых потребителей увеличилось на 25% /12,13/.
В ходе анализа были получены статистические данные о электропотреблении нетяговых железнодорожных потребителей за период 1999-2003 года (рис. 1.4).
На рисунке видно, что электропотребление в 2003 году по отношению к 1999 году увеличилось на 10%. Однако, заметно уменьшение спроса на электроэнергию в период 2002 года. Это связано с принятием новых норм и методик по расходу электроэнергии на железнодорожном транспорте с увеличением тарифов на продажу электроэнергии.
Существующие методы определения допустимых нагрузок на кабель
Известно, что силовые кабели находят широкое применение в общей схеме распределения и передачи электроэнергии. Наиболее распространенными являются кабели на напряжения до 10 кВ. Эти кабели прокладываются в различных условиях: в земле (в траншее), в блочной канализации, а также открыто на конструкциях (по стенам, в каналах или туннелях). Длина кабельных линий, определяемая удаленностью потребителей, бывает различной. Строительная же длина кабеля (длина кабеля на барабане) в зависимости от его конструкции, рабочего напряжения и сечения ограничивается и во многих случаях является недостаточной. В связи с этим на длинных трассах кабельные линии осуществляются из нескольких отдельных, соединяемых между собой кабелей. Соединения кабелей в этих случаях выполняют в специальных соединительных муфтах /23, 24/.
Под действием тока нагрузки в соединениях жил кабеля возникают потери мощности, ведущие к нагреву кабеля и кабельного соединения. Вопрос о предельно допустимой температуре нагрева имеет большое экономическое значение, так как от него зависит срок службы кабеля и контактных соединений, а так же надежность их работы в эксплуатации. Поэтому еще в начале прошлого столетия впервые появились нагрузочные таблицы для силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией /25 /.
Соединения и оконцевания токопроводящих жил проводов и кабелей являются весьма важными операциями при монтаже электроустановок. От правильного выполнения этих операций в значительной мере зависит надежность работы /26/.
Контактные соединения подвержены действию тока нагрузки, величина которого изменяется в весьма широких пределах. Это приводит к тому, что контактные соединения циклически нагреваются и охлаждаются. При коротких замыканиях в цепи кратковременный нагрев может достигать значительной величины. По действующим в России нормам кратковременный нагрев проводов и кабелей при коротких замыканиях допускается до 150С при резиновой или поливинилхлоридной изоляции и до 200С - при бумажной. Хорошее контактное соединение должно выдерживать указанные температуры и действие многократных нагревов и охлаждений /26, 27, 28/.
Проводники мелких сечений при аварийных ситуациях перегреваются значительно сильнее, чем проводники крупных сечений. Объясняется это тем, что плотность длительно допустимого тока для мелких сечений в несколько раз превышает плотность длительно допустимого тока для крупных сечений. Отношение этой плотности для кабелей сечением 2,5 и 185 мм равно 5 /17, 22, 21,23/. Длительно допустимые токовые нагрузки на кабель - это требование «Правил устройства электроустановок», и оно определяется тем, что недопустимый перегрев кабеля вызовет усиленное старение изоляции, а затем ее пробой. ГОСТ установил следующие максимально допустимые температуры токопроводящих жил кабелей: до 3 кВ. - 80С 6кВ.-65С ЮкВ.-60С 25-35/с.-50С. Превышение этих температур недопустимо. В таблицах ПУЭ приведены допустимые токовые нагрузки в зависимости от сечения, напряжения, марки кабеля и условий прокладки для максимально допустимых температур токопроводящих жил и расчетных температур окружающей среды: + 15С - прокладка кабеля в земле на глубине 0,7 - 1м.; + 25С - прокладка в воздухе (труба, канал, туннель); + 15С - прокладка в воде. Все таблицы ПУЭ выполнены только для этих температур и одиночно проложенных кабелей. Для каждой кабельной линии, введенной в эксплуатацию, устанавливаются наибольшие допустимые токовые нагрузки, определяемые по участку трассы длинной не менее 10 ж с наихудшими тепловыми условиями /27/.
Ресурс электрической изоляции определяет фактическую наработку кабеля, а срок службы характеризует календарное время с момента ввода кабеля в эксплуатацию независимо от наработки и коэффициента нагрузки. У многих кабельных линий истек срок службы, но они продолжают работать, так как не выработали своего ресурса. Поэтому на практике необходимо знать наработку кабеля и, что особенно важно, его остаточный ресурс. Ресурс электрической изоляции существенно зависит от температуры и от напряженности электрического поля, но методика определения ресурса, основанная на этих параметрах, является разрушающей, и подходит только для вновь разрабатываемых кабелей, проходящих ресурсные испытания в лабораториях или на полигонах. Кроме того, каждый действующий кабель работает в индивидуальных условиях, а параметры, необходимые для данных расчетов, изменяются в широких пределах /28, 29, 30/.
Разрушающими являются и профилактические высоковольтные испытания, предназначенные для своевременного выявления состаренных кабелей. Если кабель выдержал эти испытания, то он может какое-то время работать без пробоя, однако точное время наработки и остаточный ресурс остаются неизвестными.
Поэтому все современные научные изыскания направлены на поиски неразрушающих методов испытаний, во время которых кабели не подвергаются старению и не выходят из строя, а результаты диагностики дают информацию о наработке и остаточном ресурсе. Работы ведутся непрерывно, однако пока таких методов выявлено очень мало /31, 32, 33/.
Достижение высокой надёжности систем электроснабжения требует использования специальных материалов и методов проектирования, соответствующих конечным условиям эксплуатации.
Высокая температура является одним из вредных факторов, воздействующих на все без исключения элементы системы электроснабжения. Для предотвращения отказов элементов из-за чрезмерного нагрева, тепловой анализ проекта электроснабжения должен быть выполнен так же тщательно, как и другие виды анализа. На тепловую нагрузку кабельных линий и их соединений большое влияние оказывает температура окружающей среды. Ситуация ухудшается в области высоких температур, а, значит, необходимо оценивать весь диапазон температур в реальных условиях эксплуатации. Ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что повышенная температура резко увеличивает вероятность выхода из строя кабельных и воздушных линий, особенно в местах их соединений. Это объясняется тем, что все реакции имеют физико-химическую природу и при повышенных температурах протекают быстрее. Таким образом, подавляющее большинство механизмов отказов являются зависимыми от температуры /34, 35/.
Кабельные линии и их соединения могут противостоять умеренному тепловому воздействию, например, при нагревании во время кратковременных перегрузок по току. Однако, тепловое воздействие сверх установленной нормы вызовет сбои в работе устройства или его полный отказ /36/.
Все тепловые проблемы должны быть рассмотрены на начальном этапе, пока стоимость их решения минимальна. Если отказ, связанный с тепловой перегрузкой контактного соединения, например, кабельной муфты, идентифицируется на заключительных этапах работы над её монтажом или после его окончания, то затраты на исправление выявленных ошибок могут оказаться весьма значительными /37/.
Определение вероятности отказа кабельных линий распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей
Отличительными чертами диэлектрика являются неоднородность структуры или строения материала и изменение исходных свойств во времени под действием различных факторов (как, например, тепло, химические процессы и пр.), что ограничивает в большинстве случаев срок службы изолирующего материала из-за постепенной потери его качества, называемой старением. Поэтому расчёт изоляции кабельных муфт на электрическое и тепловое сопротивление должен производиться особенно качественно и скрупулезно /47/.
Наиболее существенными особенностями практического диэлектрика являются следующие: а) неоднородность структуры (слоистость, волокнистость и др.); б) наличие воздуха и влаги в виде мелких включений и плёнок; в) зависимость основных характеристик от температуры; г) старение диэлектрика (постепенное ухудшение основных характеристик во времени). Всякий диэлектрик, применяемый на практике, всегда обладает какой-то неоднородностью структуры и свойств. Так, например, изоляция кабельных муфт (бумага) имеет слоистый характер, резиновая изоляция неоднородна, так как она получается путём смешения каучука с мелкоизмельченными порошками минеральных наполнителей и смягчителями. Даже такие материалы, как синтетические диэлектрики (полиэтилен, стирофлекс и др.), обладают большей или меньшей неоднородностью строения или неоднородностью, обусловленной методом получения этих материалов, например, из-за наличия остаточных ионов, внесённых в материал катализаторами процесса полимеризации, и недостаточной отмывки материала после его изготовления.
Наличие неоднородности в практическом диэлектрике всегда приводит к ослаблению его электрической прочности и ускоряет процесс старения диэлектрика под влиянием нагревания и длительного воздействия приложенного к диэлектрику напряжения и тока.
Как показывают экспериментальные исследования, зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры в большинстве случаев имеет такой вид, как показано на (рис. 2.4), т.е. до некоторого значения Ткр электрическая прочность от температуры не зависит. Это область электрического пробоя. При дальнейшем повышении температуры электрическая прочность падает. Это область теплового пробоя. На рис. 2.4 приведена зависимость электрической прочности полиэтилена от температуры (по данным разных авторов), подтверждающая наличие двух областей пробоя /36, 44, 45/.
Теория теплового пробоя, впервые разработанная в СССР русскими учеными А. Ф. Вальтером, В. А. Фоком и Н. Н. Семеновым, позволяет вычислять электрическую прочность материала в различных конструкциях, если известна зависимость проводимости материала от температуры, теплопроводность самого материала и отвод тепла во внешнюю среду /44/.
В соответствии с результатами испытаний изолирующих материалов на электрическую прочность можно предположить, что в действительности электрическая прочность применяемых на практике изолирующих материалов определяется не столько механизмом пробоя, сколько местной Е, МВ/мм 80 60 40 20
Зависимость электрической прочности полиэтилена от температуры неоднородностью поля, создающей резкое местное повышение напряженности электрического поля, а также характером и интенсивностью подготовительных процессов в диэлектрике, как, например, процессов ионизации газовых включений, химического изменения вещества и других.
Вероятно, что подготовительные процессы развиваются наиболее интенсивно именно в тех местах, в которых наблюдается местное повышение напряженности электрического поля. Можно сказать, что местное повышение напряженности поля, вызывая развитие подготовительных процессов, приводит к образованию слабого места в изоляции, которое и пробивается затем чаще всего по закону теплового пробоя. Это заключение справедливо для изоляции кабельных муфт, так как соединение кабельных жил и есть место повышенной напряжённости поля /36, 39, 44/.
Для кабельной изоляции электрическая прочность может быть выражена приближенно следующей эмпирической формулой: т , (2.24) где А, В МП- некоторые параметры, зависящие от характера изоляции; t - время до пробоя.
Эта формула применима и для расчёта зависимости электрической прочности от времени изоляции кабельных муфт и соединений. Важно отметить, что плавление изоляции кабельной муфты под действием чрезмерной токовой нагрузки способствует образованию пленок газов. Для установившегося теплового режима, т.е. когда отсутствует повышение или понижение температуры, с течением времени можно дать простое аналитическое выражение тепловой неустойчивости кабельного соединения, исходя из того, что в установившемся тепловом режиме тепловой поток W всегда равен произведению температурного перепада т на тепловое Определение допустимого тока длительной нагрузки кабельных соединений в соответствии с условиями прокладки кабеля Среда, окружающая нагруженный силовой кабель, оказывает большое влияние на его тепловой режим, и тем более тепловые режимы контактных соединений, а, следовательно, и на величину допустимого тока нагрузки.
Весьма часто встречается случай комбинированной прокладки, например прокладка в туннелях, каналах, прокладка в трубах, где кабель и соединения окружены воздухом.
Кабель, проложенный в воздухе, охлаждается путем переноса тепла от наружной поверхности к окружающему его воздуху (конвекция). Наряду с этим имеет место и передача тепла посредством теплового излучения. Однако ввиду сравнительно небольшой температуры, которая допускается обычно на оболочке кабеля при его эксплуатации, последний вид теплопередачи практически не имеет значения.
Охлаждение кабельного соединения в воздухе может быть различным и в зависимости от скорости и направления перемещения воздуха (обдувание), наличия влаги в нем и т. д.
В большинстве случаев воздушное охлаждение менее эффективно, чем охлаждение путем теплоотдачи в окружающую кабельное соединение землю при прокладке в земле. Это отражается на нормах нагрузки кабелей, а именно, в нормах на кабели напряжением до 10 кВ нагрузка в воздухе снижается по сравнению с нагрузкой в земле примерно на 20 - 30%. Однако это никак не отражено в нормах нагрузки на кабельные контактные соединения, где, как показывают эксперименты, необходимо предусматривать снижение нагрузки ещё на 20-30%.
Прокладка кабелей в воздухе относится к весьма распространенным видам прокладки. Сюда же следует отнести отчасти и прокладку в каналах, туннелях и блоках /36, 44, 45, 47/.
Большое значение имеет определение максимального допустимого перегрева контактных соединений кабеля над окружающей средой, равного разности максимальной допустимой температуры соединения и окружающей среды.
Максимальная допустимая температура жил кабеля во всех стандартах и нагрузочных таблицах определяется в зависимости от рабочего напряжения кабеля и его конструкции. Для одно-, двух-, трех- и четырехжильных кабелей на напряжение до 1 кВ и трехжильных кабелей на напряжение 6 кВ в России допускается температура жилы 80С, в Англии для тех же кабелей 70С, в Германии (VDE) 60С, а в США 85С.
Расчетная температура земли на глубине прокладки (среднегодовая) принимается в большинстве стран равной 15С (Россия, Англия и др.); по нормам германских электротехников (VDE), действующих также в Швейцарии, Австрии и некоторых других странах, температура почвы принимается равной 25С; в США температура почвы принимается в большинстве случаев равной 5С зимой и 20С летом /50, 51, 52, 53
Результаты возможного использования разработанной имитационной модели на примере ЭЧС узла ст. Самара
Согласно проведённым исследованиям, распределительные сети нетяговых железнодорожных потребителей нуждаются в разработке новых методов расчёта и прогнозирования отказов, а также устройств повышающих эффективность контроля в линиях 0,4-10 кВ.
Существуют организационные и технические мероприятия по повышению эффективности работы распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей. К организационным относятся: разработка новых методик и правил эксплуатации, создание информационных баз данных; разработка математических моделей и моделирование; разработка новых методов прогнозирования.
К техническим относятся: совершенствование и разработка технических средств и устройств диагностики и контроля; создание экспериментальной базы исследований и др. Основным направлением данной работы выбрано совершенствование существующих и разработка новых методов контроля и прогнозирования отказов в распределительных сетях нетяговых железнодорожных потребителей. В настоящее время существуют распределительные сети нетягового электроснабжения, находящиеся в эксплуатации много лет, реконструированные частично или полностью, а также вновь построенные.
На основании проведённых исследований можно сделать выводы, что существующие распределительные сети, которые эксплуатируются много лет, не отвечают современным требованиям и являются основным источником всевозможных неисправностей /76, 77, 79, 80/. Для большинства из составляющих данных сетей — автоматических выключателей, проводов и кабелей — существенно превышен установленный ресурс эксплуатации. В процессе эксплуатации произошли изменения в сторону увеличения нагрузки. Новые и реконструированные распределительные сети нетяговых железнодорожных потребителей, естественно, более надежны. Однако и здесь встречаются проблемы осуществления бесперебойного электроснабжения потребителей /80, 81/.
Распределительные сети нетягового электроснабжения являются одним из важнейших компонентов, обеспечивающих непрерывную работу железнодорожного транспорта и жизнеобеспечения прилегающих к дороге городов и других населённых пунктов. Их эффективная работа отражается на благосостоянии большой части населения.
Распределительные сети нетягового электроснабжения выполняются в основном кабельными или воздушными с кабельными вставками. Эффективная работа таких сетей достигается комплексом различных мероприятий, охватывающих стадии проектирования, строительства и эксплуатации. На стадии эксплуатации эффективная работа обеспечивается в основном техническим обслуживанием.
Традиционное техническое обслуживание основывается на календарном принципе, когда обслуживание производиться через заданные промежутки времени (обслуживание по ресурсу) независимо от фактического состояния объекта обслуживания. На работы по техническому обслуживанию распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей тратятся значительные ресурсы, составляющие около 70% от эксплуатационных расходов /83, 84, 85/. Практика показывает, что достигаемый при этом эффект недостаточен, что выражается, в частности, в показателях аварийности.
Анализ показывает, что существующая технология технического обслуживания практически исчерпала свои возможности, и для повышения эффективности обслуживания требуется поиск новых технологий.
Большие резервы повышения эффективности технического обслуживания распределительных сетей заключены в переходе на обслуживание по реальной потребности с автоматизацией и компьютеризацией этого процесса. При этом необходимость в обслуживании и ремонте определяется исходя из прогнозируемого близкого к действительному состоянию объекта. Определение действительного состояния объекта является задачей технической диагностики и компьютерного моделирования.
Напряженные режимы работы распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей требуют осуществлять диагностику без вывода оборудования из работы. Максимальный эффект может быть достигнут, если диагностика будет непрерывной или будет производиться с помощью компьютерного моделирования /83, 84, 85/.
В главе 2 показано, что надежная работа систем электроснабжения определяется в основном надежностью контактных соединений и состоянием электрической изоляции. Поэтому основной задачей контроля и компьютерного моделирования является совершенствование качества контактных соединений и прогнозирование вероятности отказа кабельных линий в результате повышенного уровня электропотребления.
Техническое обслуживание можно рассматривать как процесс управления состоянием распределительных сетей нетяговых железнодорожных потребителей. Такой подход обнаруживает главное условие - достаточное информационное обеспечение. В данном случае требуется информация о времени и месте возникновения дефекта, электропотреблении, схема соединений и база данных о проложенных кабелях, наличии кабельных муфт, года прокладки и т.п. Задача своевременного прогнозирования вероятности дефекта может быть решена с помощью компьютерного моделирования работы распределительных сетей с учётом всех параметров электроснабжения.
