Введение к работе
Актуальность исследования. В Российской Федерации действует федеральная целевая программа «Модернизация транспортной системы России (2002 - 2010 годы)», целью которой является повышение эффективности и безопасности транспортной системы, обеспечивающей жизненно важные интересы страны. Доля железнодорожного транспорта в структуре грузооборота транспортной системы России составляет 43 %. Согласно «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» повышение уровня безопасности функционирования железных дорог является важнейшим государственным приоритетом развития и модернизации отрасли, научных исследований и текущей эксплуатационной работы. Безопасность железнодорожного транспорта зависит от надежности работы системы электроснабжения, одним из основных элементов которой являются кабельные линии электроснабжения.
Железнодорожный транспорт имеет развитую сеть кабельных линий электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей. Использование кабелей в полимерном покрытии значительно повышает надежность работы линейных сооружений системы электроснабжения, так как в этом случае длительное время сохраняется высокое переходное сопротивление металлических элементов кабеля относительно земли, тем самым обеспечивается защита как от почвенной коррозии, так и от коррозии блуждающими токами. Кроме того, кабели в полимерном покрытии имеют относительно невысокую стоимость, поэтому их применение дает существенный экономический эффект. Однако полимерное изолирующее покрытие, имея низкую механическую прочность, в процессе транспортирования, укладки и эксплуатации кабеля может быть повреждено.
Как показывает опыт эксплуатации кабельных систем с поврежденным изолирующим покрытием, токоведущая жила или оболочка кабеля в местах повреждения полимерного изолирующего покрытия быстро выходит из строя по причине коррозии. Процесс коррозии ускоряется, если трасса кабеля проходит в зоне распространения блуждающих токов электрифицированного рельсового транспорта. В этом случае в месте повреждения изоляции кабеля между металлической оболочкой (или жилой) и землей может возникать значительная разность потенциалов.
Применяемые активные методы не обеспечивают защиты подобных кабельных систем от коррозии, особенно в условиях работы электрифицирован-
ного железнодорожного транспорта, поэтому оперативное" и точное определение места повреждения изоляции и его устранение - одна из важнейших задач, возникающих в процессе эксплуатации кабеля.
Существующие средства не позволяют с достаточной точностью определять места повреждения изоляции и трассу кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей в условиях функционирования электрифицированного железнодорожного транспорта, поэтому задача совершенствования методов и разработки помехозащищенной аппаратуры поиска мест повреждения кабеля актуальна.
Цель диссертационной работы - совершенствование методов и аппаратных средств поиска мест повреждения кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей путем повышения точности определения составляющих электромагнитного поля на поверхности земли от тока в кабеле.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
определить параметры границы раздела «металл - электролит» для алюминиевых, медных, свинцовых элементов кабеля и учесть их в полном переходном сопротивлении в местах повреждения полимерного изолирующего покрытия;
рассчитать распределение измерительных сигналов в кабеле с поврежденным полимерным изолирующим покрытием;
определить изменение составляющих электромагнитного поля на поверхности земли от тока в кабеле с поврежденным изолирующим покрытием;
разработать способы определения глубины залегания и места повреждения кабеля, схемы аппаратуры для поиска мест повреждения кабеля, обосновать ее технические характеристики и оценить экономический эффект от ее применения.
Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, применены методы математической физики, планирования эксперимента, статистические методы обработки экспериментальных данных, методы математического моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
определены параметры границы раздела «металл - электролит» для алюминиевых, медных, свинцовых элементов кабеля и разработаны соответствующие математические модели, учитывающие зависимость этих параметров от удельного сопротивления среды и частоты протекающего тока;
получены аналитические выражения для определения коэффициента передачи по току поврежденного кабеля, позволяющие обосновать параметры измерительного сигнала;
предложена методика расчета распределения амшштудно-модулирован-ного сигнала по кабелю с поврежденным полимерным изолирующим покрытием;
обоснованы параметры электромагнитного поля, содержащие объективную информацию о повреждении изолирующего покрытия кабеля.
Достоверность научных положений и выводов обоснована корректным использованием фундаментальных положений современной теоретической электротехники, электрохимии, теории длинных линий и подтверждена экспериментальными исследованиями, выполненными на Омском отделении Западно-Сибирской железной дороги. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 10 %.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Определено полное переходное сопротивление в местах повреждения полимерного изолирующего покрытия для алюминиевых, медных, свинцовых элементов кабеля с учетом зависимости параметров границы раздела «металл -электролит» от удельного сопротивления среды и частоты тока, что позволяет рассчитать распределение электрического сигнала в кабеле с повреждениями.
Разработаны способы определения глубины залегания и расстояния до расположенного в земле кабеля, места повреждения кабеля, снижающие трудоемкость этих процессов.
Предложены схемы аппаратного комплекса для поиска мест повреждения кабеля (АК ПМПК) и обоснованы его электрические характеристики. Применение данного комплекса в дистанциях электроснабжения повысит точность поиска мест повреждения полимерного изолирующего покрытия кабелей электроснабжения и даст существенный экономический эффект.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006); IV международной научно-практической конференции «Транспорт Евразии XXI века» (Алматы, 2006); IV всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (Чита, 2009); II всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (Омск, 2009); на технических семинарах кафедр ОмГУПСа.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, включая две статьи в изданиях, входящих в перечень ВАКа, один патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и четырех приложений. Работа содержит 139 страниц основного текста, девять таблиц, 54 рисунка, список использованных источников из 101 наименования.
