Содержание к диссертации
Введение
1 Коррозионная опасность кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей в полимерном изолирующем покрытии 11
1.1 Применяемые изоляционные материалы для кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей 11
1.2 Оценка влияния электротяги постоянного и переменного тока на коррозионное состояние кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей 15
1.3 Существующие методы определения мест повреждения кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей 28
1.4 Выводы 34
2 Электрические параметры кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей 35
2.1 Продольные параметры кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей 35
2.1.1 Продольные параметры изолированного цилиндрического проводника 35
2.1.2 Взаимные параметры изолированных проводников 40
2.1.3 Продольные параметры проводника с учетом эффекта близости 44
2.1.4 Параметры трубчатого изолированного проводника 46
2.2 Волновые параметры 52
2.3 Переходное сопротивление токопроводящих жил и металлической оболочки кабеля электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей 55
2.4 Выводы 64
3 Распределение измерительного сигнала по длине кабеля с поврежденным изолирующим покрытием 65
3.1 Распределение измерительного сигнала в системе трех однопроводных линий с учетом их взаимного влияния з
3.2 Распределение измерительного сигнала по длине кабеля в системе «жила-жила» 79
3.3 Распределение измерительного сигнала по длине кабеля в системе «жила - оболочка» 80
3.4 Распределение измерительного сигнала по длине кабеля в системах «жила - земля» и «оболочка - земля» 85
3.5 Распределение амплитудно-модулированного сигнала по длине кабеля в системах «жила - земля» и «оболочка - земля» 87
3.6 Выводы 91
4 Совершенствование методов и аппаратуры поиска мест повреждений кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей 92
4.1 Потенциал поверхности земли над кабелем с поврежденным изолирующим покрытием 92
4.2 Напряженность магнитного поля над кабелем с поврежденным изолирующим покрытием 95
4.2.1 Влияние металлической оболочки на величину напряженности магнитного поля над кабелем 97
4.3 Экспериментальное исследование потенциала поверхности земли над кабелем с повреждением 101
4.4 Совершенствование методов и аппаратных средств поиска мест повреждения кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей 102
4.4.1 Аппаратура определения места повреждения изоляции кабеля с использованием АМ-сигнала 106
4.4.2 Определение места повреждения изоляции кабеля по величине потенциала поверхности земли 108
4.4.3 Метод определения места повреждения изоляции кабеля по величине переходной проводимости ПО
4.5 Расчет экономической эффективности от использования аппаратуры поиска мест повреждений кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей 113
4.6 Выводы 117
Заключение 118
Список литературы
- Оценка влияния электротяги постоянного и переменного тока на коррозионное состояние кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей
- Взаимные параметры изолированных проводников
- Распределение измерительного сигнала по длине кабеля в системе «жила-жила»
- Напряженность магнитного поля над кабелем с поврежденным изолирующим покрытием
Оценка влияния электротяги постоянного и переменного тока на коррозионное состояние кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей
Одной из главных причин повреждения кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей в условиях эксплуатации является повреждение изолирующего покрытия и коррозия металлических защитных элементов, что приводит к понижению сопротивления изоляции токоведущих жил кабеля, вследствие чего нарушается нормальное функционирование кабельной линии. Работоспособность кабеля зависит от свойств изолирующих покрытий токоведущих жил и металлических защитных элементов кабеля.
Длительное время кабели на напряжение до 35 кВ выпускались с бумажной изоляцией, пропитанной маслоканифольным составом марок МП-2, МП-3 и МП-5 [15, 16, 17]. В настоящее время такие кабели заменяют кабелями с полимерным изолирующим покрытием. Замена обусловлена появлением полимерных материалов с высокими диэлектрическими свойствами. Для кабелей, прокладываемых в грунте, в качестве защитного покрытия используется полиэтилен, поскольку такие кабели длительное время сохраняют высокое переходное сопротивление оболочки. Широкое применение находят кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Например, такие кабели широко применяют в России, Японии, Франции, Финляндии и Швеции; в США и Канаде такие кабели занимают 85% всего рынка силовых кабелей, в Германии и Дании - 95%.
Сравнивая кабели с бумажной пропитанной изоляцией и из сшитого полиэтилена, можно выявить значительные преимущества последних. К основным их достоинствам можно отнести следующие: а) в кабелях с пропитанной изоляцией при наличии больших разностей уровней прокладки происходит осушение изоляции в более высоких точках трассы, что может повлечь за собой пробой. Такой недостаток отсутствует у кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена; б) монтаж кабелей с полиэтиленовой изоляцией производится без использования специального оборудования и материалов. Например, не требуется применение бумажных пропитанных вязким пропиточным составом роликов для изолирования мест соединения жил; в) полиэтиленовая изоляция обладает малой плотностью, малыми значениями относительной диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь; г) возможна прокладка кабеля без предварительного прогрева при низких температурах (но не ниже минус 20 С или минус 15 С при классе напряжений до 30 кВ и выше соответственно); д) оболочка нечувствительна к агрессивным средам; е) кабель обладает стойкостью к вибрации. По данным [18], представленным филиалом ОАО «МОЭСК» «Московские кабельные сети», можно сравнить удельную повреждаемость кабелей среднего класса напряжения (до 35 кВ) с изоляцией из бумаги и из сшитого полиэтилена: а) удельная повреждаемость всех кабельных линий на напряжение 6-35 кВ, эксплуатирующихся Московскими кабельными сетями, составила 10,8 на 100 км; б) удельная повреждаемость кабельных линий на напряжение 6-20 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена составила 1,5 на 100 км; г) количество повреждений кабельных линий на напряжение 6-35 кВ в 2009 г. составило 7230, тогда как кабельных линий на напряжение 6-20 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена - 72.
Наряду со значительными достоинствами кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, у них имеются и недостатки [19, 20]. Процессы электрического старения и образование каналов (триингов), определяющие срок службы кабелей, зависят от чистоты изоляционного материала и его герметичности по длине кабеля. Что касается потерь при передаче электроэнергии, то основная их доля приходится на диэлектрические потери, которые в свою очередь зависят от наличия примесей в изоляционном материале, и от скорости десорбции стабилизаторов при хранении кабелей. Срок службы кабелей зависит и от того, насколько гладкая поверхность раздела между слоем изоляции и экраном. Частицы используемой сажи при производстве электропроводящих экранов могут образовывать микровыступы, что приводит к локальному повышению напряженности электрического поля.
Для сохранения работоспособности кабеля большое значение имеет состояние его изолированной оболочки, исключающей проникновение влаги к токоведущим элементам кабеля. В качестве материалов для оболочки в настоящее время используют свинец, алюминий и полимерный материал. Из этих материалов наименьшую влагопроницаемость обеспечивает свинец. Однако он обладает серьезными недостатками: это дорогой и дефицитный материал, имеет большой вес и подвержен коррозии, особенно в зоне блуждающих токов. Пластмассовая оболочка дешевле, но имеет более высокую влагопроницаемость по сравнению со свинцом, вследствие чего ее электрические параметры ухудшаются. Наиболее приемлемой по перечисленным показателям является алюминиевая оболочка. Но поскольку этот материал больше других подвержен коррозионному разрушению, алюминиевые оболочки обязательно защищаются полимерными шлангами с величиной сопротивления изоляции от земли не менее 5-106Ом-км. Рисунок 1.1- Повреждение алюминиевой оболочки и изолирующего покрытия кабелей электроснабжения На рисунке 1.1 приведены примеры повреждения кабелей электроснабжения. Опасность коррозии для алюминиевых оболочек возникает при повреждении целостности шлангового изолирующего покрытия в процессе транспортировки, монтажа либо эксплуатации кабелей. Отказы кабелей электроснабжения нетяговых железнодорожных потребителей приводят к простою оборудования ремонтных цехов, отказам устройств сигнализации, централизации и блокировки, отключению электроснабжения вокзалов и административно-бытовых зданий. Для примера на рисунке 1.2 приведено количество повреждений кабелей в хозяйстве электрификацйии и электроснабжения [21].
Взаимные параметры изолированных проводников
При емкостном методе [45, 46, 48] расстояние до места повреждения определяется измерением емкости жил кабеля, которое производится с помощью мостов переменного и постоянного тока. Мостами переменного тока пользуются в случаях, если сопротивление изоляции более 300 Ом. При значении переходного сопротивления в месте повреждения более 20 Мом применяют мост постоянного тока. Применяемая аппаратура: мост постоянного тока Р334, мост переменного токаСА-7100[60].
Методы определения мест повреждения по параметрам аварийного режима основаны на измерении и запоминании параметров в аварийном режиме (токов и напряжений прямой, обратной и нулевой последовательности) и вычислении расстояния до места повреждения. Данные методы делятся на односторонние и двухсторонние.
Топографические методы поиска мест повреждения применяют непосредственно на трассе кабельной линии после предварительного определения района повреждения дистанционным методом [45, 46]. Топографические методы делятся на контактные и бесконтактные. Недостатком контактного метода является сложность проведения поиска в городских условиях вследствие наличия асфальтового покрытия. Данный недостаток отсутствует у бесконтактных методов, вследствие чего уменьшаются временные затраты и трудоемкость процесса поиска повреждения.
Акустический метод [45, 46, 48] основан на улавливании над трассой звуковых колебаний над местом повреждения кабеля. Колебания амплитуды сигнала в месте повреждения создаются искровым разрядом от генератора импульсов. Используется аппаратура КП-500, ЭТЛ-10 [61].
Принцип потенциального метода поиска мест повреждения заключается в фиксации разности потенциалов на поверхности земли, возникающей при протекании тока через повреждение. В реализации данного метода применяют различные виды электродов и несколько форм сигналов: постоянного тока, синусоидальный и импульсный. Данный метод реализуют трассоискатели фирмы «Tempo», «Успех КБИ-306М» [62]. Индукционный метод основан на изменении амплитуды или фазы напряженности магнитного поля тока кабеля на поверхности земли. Используются индукционные приборы «Поиск», комплекты фирмы «СТЭЛЛ»: SG-600 и SG-80, Seba KMT FL 10, КП-500, ЭТЛ-10 [61, 63, 64, 65].
Используемый кабельный прибор ИРК-ПРО 20 для определения расстояния до места повреждения имеет существенные недостатки [66]. Необходимо указать длину кабельной линии, но даже разница в 50 метров приведет к неточности полученных результатов около 25 метров.
Применяемый на сети железных дорог кабелеискатель Успех КБИ-306, вследствие используемых рабочих частот не имеет возможности выводить корректные результаты, если измерения проводятся вблизи источников электромагнитных помех и при наличии подземных коммуникаций [62]. Кроме того, в некоторых случаях приемник кабелеискателя не определяет наличие возможных причин искажения результатов. В этом случае, при возникновении сомнений в корректности полученных данных, оператор должен произвести ряд повторных измерений и сравнить полученные результаты, что увеличивает время поиска повреждения и приводит к излишним трудозатратам.
Следует отметить существенный недостаток существующих методов при их применении вблизи источников сильных электромагнитных помех. Методы, основанные на использовании пульсирующего или постоянного токов, не позволяют использовать существующие методы и приборы в зоне действия электрифицированного на постоянном токе железнодорожного транспорта.
Таким образом, существующие методы поиска мест повреждения не обладают высокой точностью, а в некоторых случаях измерения невыполнимы из-за различного рода помех. 1.4 Выводы
Наибольшей коррозионной опасности подвержены металлические элементы кабеля в зоне блуждающих токов. Как в случае электротяги постоянного, так и переменного токов на металлической оболочке возникают потенциалы, значительно превышающие границы защитного диапазона (-1,38-г-0,85 В).
Существующие методы поиска мест повреждения не позволяют с достаточной точностью отыскать место повреждения кабеля в условиях работы электрифицированного железнодорожного транспорта, поэтому требуется совершенствовать методы и аппаратуру поиска мест повреждения.
Для разработки и совершенствования методов поиска мест повреждения необходимо иметь данные о распределении токов и напряжений по длине кабеля электроснабжения и методику их расчета. Для этого следует иметь электрические параметры кабеля, зависящие от геометрических размеров и материалов элементов кабеля, наличия изолирующего покрытия, а также наличия соседних металлических элементов (близко расположенных проводников, металлической оболочки, брони), влияющих на распределение электрического сигнала по токопроводящим жилам и металлической оболочке кабеля.
К первичным электрическим параметрам относятся активное сопротивление R (Ом/км), индуктивность L (Гн/км), являющиеся продольными параметрами, емкость С (Ф/км) и проводимость G (См/км) изоляции, относящиеся к поперечным параметрам. К волновым параметрам относятся коэффициент распространения у (1/м) и волновое сопротивление ZB (Ом).
Получены формулы для расчета первичных и волновых параметров токопроводящих жил с учетом двух близко расположенных проводников и металлической оболочки, а также металлического защитного покрова с учетом спиральности. Изолированные токопроводящие жилы представляют собой изолированный цилиндрический проводник, а изолированная оболочка кабеля -трубчатый изолированный проводник.
Распределение измерительного сигнала по длине кабеля в системе «жила-жила»
Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, при повышении температуры сопротивление границы раздела «металл -электролит» уменьшается в два и более раз, при этом емкость границы раздела увеличивается в десятки раз.
Во-вторых, значения параметров границы раздела «металл - электролит» нелинейно зависят от удельного сопротивления среды, которое в реальных условиях может изменяться в широких пределах - от 0,1 до 1000 Омм. Кроме того, наличие в среде различных веществ, например солей и кислот, способствует активному коррозионному процессу, приводящему к уменьшению сопротивления и увеличению емкости границы раздела «металл - электролит». В-третьих, сопротивление и емкость границы раздела «металл -электролит» зависят от частоты. Из эксперимента получено 65 зависимостей сопротивления и емкости границы раздела «металл - электролит» от удельного сопротивления, температуры среды и частоты сигнала.
В соответствии с методикой, приведенной в [94], была проведена предварительная обработка опытных данных, состоящая в отсеивании грубых погрешностей измерения. Кроме того, проверена гипотеза о нормальном распределении экспериментальных данных в параллельных опытах и однородности дисперсий каждого опыта по критерию Кохрена.
К экспериментальным данным применим регрессионный анализ, т.е. получим регрессионную модель для значений сопротивления и емкости границы раздела «металл - электролит» для электрода из алюминия от частоты сигнала, удельного сопротивления и температуры среды.
Линейная регрессионная модель для одного фактора «х» ищется в виде полинома следующего вида: Задача линейного регрессионного анализа (метод наименьших квадратов) состоит в том, что, зная положения точек на плоскости, так провести линию регрессии, чтобы сумма квадратов отклонений I у - у I вдоль оси «у» этих точек была минимальна. Задача множественного (многофакторного) регрессионного анализа состоит в построении такого уравнения плоскости в (р+1)-мерном пространстве, отклонения результатов наблюдений уі от которой были бы минимальными. Т.е. следует определить значения коэффициентов (Хо, ..., ар в полиноме, что равносильно минимизации такого выражения:
Для отыскания минимума этого выражения необходимо найти частные производные по всем неизвестным осо, ..., ОСр и приравнять их к нулю. Полученную систему уравнений решают в матричной форме и находят значения коэффициентов регрессионного уравнения ось при і = 1,р. Точность аппроксимации можно повысить, увеличивая степень полинома. Первый этап нелинейного множественного регрессионного анализа - это получение так называемой квадратичной формы. Для этого определим Коэффициенты регреССИИ ОСо, OCj, OCjm ..., OCjj В ПОЛИНОМЄ y = a0+alxl+... + apxp + anxl +... +ax +a12x1x2+a13x1x3+... (2.82) Степень уравнения можно повышать до тех пор, пока уменьшается остаточная дисперсия. Начиная со второго шага, каждому повышению степени полинома предшествует замена переменных, линеаризующая функции xp+i = xi , 9 9 Xp+2 = x2 , Хр+з = x3 и т.д., после чего коэффициенты нового «расширенного» линейного полинома определяются из формулы (2.79).
С увеличением количества факторов и степени регрессионной модели возрастает сложность расчетов. Поэтому для расчета коэффициентов регрессионной модели воспользуемся пакетом Mathcad.
Модель построена для сопротивления и емкости границы раздела «металл -электролит» электрода из алюминия. Получены регрессионные уравнения второго порядка для сопротивления и пятого для емкости от трех факторов: RA1=exp c:=exP m М туг м лг А1 ІД г ІД. і,3 Vi=i J m M M M ЕР ВД Uln(f) Uln(t) U=i J (2.83) Al nAl і і где ос , p - коэффициенты регрессионного уравнения, приведенные в приложении Б; р, t - удельное сопротивление и температура среды, Омм, С; f - частота сигнала, Гц; m - количество членов регрессионного уравнения; m зависит от порядка регрессионного уравнения и количества факторов; М - матрица, элементами которой являются значения степеней, в которые возводятся факторы. Гипотезы об адекватности полученных моделей проверялись с использованием критерия Фишера (F-критерия); с доверительной вероятностью 95 % полученные модели можно считать адекватными. Проверка значимости коэффициентов моделей производилась по t-критерию Стьюдента. Результаты расчетов модуля и фазы полного переходного сопротивления в месте повреждения изолирующего полимерного покрытия для алюминиевой оболочки кабеля 3x95 приведены на рисунке 2.12. Цифрами обозначены: 1 - для проводимости среды 0,1 См/м, 2 - 0,02 См/м, 3 - 0,01 См/м. 1-Ю4
Изменение модуля (а) и фазы (б) полного переходного сопротивления в месте повреждения изоляции оболочки кабеля при S = 10" м
Анализ полученных выражений и результатов показал, что полное переходное сопротивление металлических элементов кабеля зависит от площади повреждения изолирующего покрытия, удельного сопротивления среды и частоты и изменяется в широких пределах.
Напряженность магнитного поля над кабелем с поврежденным изолирующим покрытием
Поскольку оболочка по концам нагружена на волновое сопротивление, отражения от концов линии отсутствуют, по той же причине отсутствует и отражение от конца участка поврежденной жилы справа от повреждения. Коэффициент отражения от повреждения зависит от значения сопротивления замыкания «жила - оболочка». Максимальное отражение будет наблюдаться в случае Z = 0, при этом ток I определяется только входным сопротивлением оболочки кабеля и будет максимальным. С увеличением Zn0Bp уменьшается 1повр и плотность тока jo6, стекающего с оболочки. Как показали результаты расчетов, плотность тока утечки с оболочки кабеля существенно зависит от частоты. С увеличением частоты увеличивается ток утечки через изоляцию жилы ]ж. На частотах выше 500 кГц он становится сопоставим с током повреждения I . Из графика 3.7 видно, что ток, стекающий с оболочки кабеля, достигает своего максимального значения в месте повреждения. Этот ток создает на поверхности земли потенциал, по величине которого можно определить место повреждения типа «жила - оболочка».
Металлическая оболочка кабеля электроснабжения в полимерном изолирующем покрытии или токоведущая жила кабеля без металлических покровов представляют собой однопроводную линию с распределенными по ее длине параметрами [11, 32]. Переходное сопротивление в месте повреждения изолирующего покрытия металлической оболочки или токоведущей жилы кабеля является частью нагрузки, подключенной в произвольной точке к линии. Таким образом, при подключении к входу однопроводной линии генератора сигналов замкнется электрическая цепь «генератор - передающая линия - нагрузка -земля».
Значение полного переходного сопротивления в месте повреждения оболочки на землю или жилы на землю определяется сопротивлением границы раздела и сопротивлением растекания в земле и находится по формулам (2.76) и (2.70), приведенным в главе 2. На рисунке 3.8 представлена однопроводная кабельная линия с повреждением относительно земли.
Генератор подключается между жилой и землей или оболочкой и землей; распределение тока и потенциала по жиле или оболочке кабеля описывается уравнениями однородной линии, при этом сопротивление повреждения Zn0Bp - это полное переходное сопротивление в месте повреждения.
Входное сопротивление жилы или оболочки зависит от места расположения повреждения и наличия сопротивления на концах жилы или оболочки и определяется по формуле (3.66). Для жилы кабеля в качестве поперечных параметров принимаются емкость и проводимость изоляции между жилой и землей, для оболочки кабеля - между оболочкой и землей.
Плотность тока, стекающего через изоляцию жилы или оболочки, определяется через производную тока по координате «х» (3.75).
Кабели в алюминиевых оболочках с полимерным изолирующим покрытием имеют широкое применение на сети железных дорог России. Наибольшая длина кабельных линий электроснабжения в условиях работы железнодорожного транспорта, как правило, составляет не более 5 км. Как показывает опыт отыскания и устранения повреждения изолирующего полимерного покрытия, на участке длиной 3 - 5 км в среднем может находиться до двух повреждений.
В случае, если в качестве несущей и модулирующей используется синусоидальный сигнал, то амплитудно-модулированный сигнал содержит в своем спектре составляющие двух боковых частот - (со— 1), (со+2) и несущую частоту со. Для амплитудно-модулированного сигнала можно записать [98, 99]:
Поскольку волновые параметры жилы и оболочки кабеля являются функциями частоты, распределение тока и напряжения по оболочке кабеля рассчитывается для каждой гармонической составляющей АМ-сигнала отдельно. Расчет проводится по уравнениям однородной линии для несущей и двух боковых частот. При этом U0Hec=U0eJ p, U0H6= U0— ej( M), U0B6= U0—ej( p+e), токи в начале линии определяются по формуле (10=—-), где ZBX рассчитывается для каждой гармонической составляющей по формуле (3.66). На рисунках 3.11 - 3.12 приведены графики распределения тока и напряжения для оболочки кабеля АПвАШв 3x95 с одним повреждением, расположенным в середине кабеля длиной 5 км, (см. рисунок 3.7) для амплитудно-модулированного сигнала с частотой несущей 30 Гц, частотой модулирующей 3 Гц, глубиной модуляции 0,3. Площадь повреждения 10" м . Удельное сопротивление земли 50 Ом-м. Напряжение генератора 100 В. Оболочка на конце изолирована.
На графиках видно, что ток в месте повреждения значительно изменяется как по амплитуде, так и по фазе, для каждой гармонической составляющей. Приращение по фазе в месте повреждения для несущей составляет 87,9 град., для верхней боковой частоты - 87,7 град., для нижней - 88,1 град.
Для выделения низкочастотной модулирующей АМ-сигнала используется процесс детектирования. Обычно для этого применяются нелинейные цепи или линейные цепи с переменными параметрами. Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента может быть записана в виде полинома второй степени [99], в этом случае ток на выходе детектора
Потенциал на поверхности земли от кабеля, имеющего повреждение, создается током утечки через изолирующее покрытие кабеля и током, стекающим через повреждение. Трасса кабеля и повреждение могут быть расположены произвольным образом относительно точки, в которой определяется потенциал. Результирующий потенциал на поверхности земли определяется как суперпозиция потенциалов, создаваемых стекающими током утечки через изолирующее покрытие кабеля и током повреждения:
