Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования 10
1.1. Обзор и сравнительный анализ современных методов измерения температуры проводов 10
1.2. Анализ методов теплового контроля проводов контактной сети 17
1.3. Анализ повреждений проводов контактной сети по тепловому режиму на примере Куйбышевской железной дороги 25
1.4. Цели и задачи исследования 28
Выводы по первой главе 29
2. Термическая устойчивость проводов контактной сети 30
2.1. Методы теплового расчета проводов контактной сети 30
2.2. Характеристики нагревания проводов контактной сети 44
2.3. Статистические характеристики нагревания проводов контактной сети 55
2.4. Определение доверительных интервалов границ превышения температуры проводов контактной сети 65
Выводы по второй главе 69
3. Тепловой расчет проводов и локальных мест износа контактных проводов 70
3.1. Расчет температуры нагрева проводов контактной сети при различных циклах тяговой нагрузки 70
3.2. Исследование тепловых процессов в контактном проводе с участками местного износа 78
3.3. Выбор межпоездного интервала без теплового контроля контактной подвески 93
Выводы по третьей главе 99
4. Разработка тепловой защиты контактной сети (ТЗКС) 100
4.1. Обоснование применения тепловой защиты контактной сети 100
4.2. Выбор места установки датчиков температуры ТЗКС 102
4.3. Выбор датчика и схема измерения температуры 107
4.4. Разработка теплового стенда для испытания ТЗКС 113
4.5. Выбор уставки тепловой защиты по температуре 115
Выводы по четвертой главе 123
5. Разработка аппаратуры ТЗКС 126
5.1. Принцип работы ТЗКС 126
5.2 Разработка реле выдержек времени 129
5.3. Монтаж аппаратуры ТЗКС в контактную сеть действующего участка 133
5.4. Согласование ТЗКС со станцией управления быстродействующего выключателя фидера контактной сети 133
5.5. Технико-экономическая эффективность применения ТЗКС 136
Выводы по пятой главе 141
Основные выводы и предложения 142
Список исползованных источников 144
Приложение 1 153
Приложение 2 160
- Анализ методов теплового контроля проводов контактной сети
- Характеристики нагревания проводов контактной сети
- Исследование тепловых процессов в контактном проводе с участками местного износа
- Выбор места установки датчиков температуры ТЗКС
Введение к работе
Во всех странах мирового сообщества, где имеются, в первую очередь электрифицированные железные дороги ставится вопрос перевода экономики с энергорасточительного на энергосберегающий путь развития. Россия, в этом плане, не является исключением. Указ президента России №472 от 07 мая 1995 г. «Основные направления энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 г.» предусматривает комплекс мероприятий по электросбережению.
К важнейшей составляющей этого вопроса можно отнести мероприятия по снижению расхода цветных металлов, потерь, расхода электрической энергии в контактной сети магистральных железных дорог. Основной особенностью энергетической политики железнодорожного транспорта на перспективу до 2010 г. является всемерное энергосбережение цветных металлов с одновременном повышением эффективности потребления этих ресурсов.
Указание МПС РФ от 11.02.2003 г. №149р «О комплексном плане работы по распространению передового опыта на железнодорожном транспорте на 2003 год» предусматривает широкое внедрение достижений науки и техники в производство.
Общее положения проводимой в системе тягового электроснабжения технической политики направлено на расчет проводов контактной подвески на крайние значения температур по климатическим районам с учетом нагрева проводов не только солнечной радиацией, но и токами нагрузки до предельной допустимой температуры 95 С. Без тепловой защиты это учесть крайне сложно, если вообще выполнимо.
По анализу отказов работы технических средств в условиях повышение массы поездов, роста движения поездов на электрической тяге на 6,8 % в 2002 году возросла повреждаемость контактной сети из-за пережогов проводов при увеличении тяговых нагрузок в первую очередь на железных дорогах постоянного тока с предельными износами контактной сети со сроком службы более 40 лет.
По Куйбышевской железной дороги степень износа основных фондов в хозяйстве электрификации достигла 74,6 %.
Потери на железнодорожном транспорте от задержек поездов по вине хозяйства электроснабжения в 2002 г. увеличились на 43 % и составили 14,2 млн.руб., в том числе по Куйбышевской 1,5 млн.руб, а пережоги проводов
- 18,4 %. Обрывы контактного провода по предельному местному износу на
Куйбышевской железной дороге составляют - 9 %.
Ускорение общественного производства всегда и неизбежно связано с развитием транспортных систем различных уровней. Важная роль уделяется железнодорожному транспорту, как одной из ключевых отраслей экономики, а его электрификация - основное направление применения наиболее прогрессивных видов тяги. Особое место в системе тягового электроснабжения занимает контактная сеть.
Токи, протекающие по проводам, приводят к выделению в них тепла, а, следовательно, к потерям энергии и к повышению их температуры относительно окружающей среды. Повышение температуры приводит к двум последствиям:
изменяет натяжение и ординаты кривых провисания свободно подвешенных проводов контактной сети и некомпенсированных проводов цепных подвесок, в которых возникает перекос струн, фиксаторов и консолей, а также изменение положения компенсирующих грузов;
вызывает старение проводов, что выражается в понижении предела упругости и разрушающего натяжения, тем самым, понижая запас прочности сооружения.
В настоящее время использование более мощных локомотивов и проведение поездов повышенной массы и длины обусловливают увеличение мощности устройств тягового электроснабжения. Наряду с неизбежным увеличением мощности тяговых подстанций и усилением контактной сети (КС) возникает необходимость более полного использования её нагрузочной способности.
Нагрузочная способность КС определяется токовой нагрузкой проводов по
условиям нагрева.
Существующие защиты не учитывают температуру нагрева проводов. В настоящее время, согласно «Правилам устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ЦЭ-868) [72]» выбор сечения контактной подвески (КП) для обеспечения пропуска поездов повышенной массы и длины производится исходя из охлаждения провода со скоростью 1 м/с, наибольшей температуры окружающей среды +40 С и допустимых величин превышения температуры проводов током меньших тока уставки фидерных быстродействующих выключателей (БВ).
Вследствие влияния метеорологических условий возникает значительный ресурс по температурному режиму. Данное положение обусловливает неполное использование нагрузочной способности КС при различных температурах окружающей среды и скорости ветра, а также при кратковременных бросках тока в пусковом режиме. Нагрузочную способность КС можно реализовать с помощью устройства, которое позволяет контролировать температуру проводов и отключать питание данного участка при повышении его величины, допустимой по условиям нормальной эксплуатации и сохранения необходимой механической прочности проводов.
Механическая прочность проводов контактной подвески зависит от их температуры, которая в свою очередь определяется, протекающим по ним током и метеорологическими условиями: температурой окружающей среды, охлаждением провода ветром и его величиной и как направлен перпендикулярно к проводу или вдоль него, а также наличием или отсутствием солнечной радиации.
Для каждой марки провода известна предельная допустимая температура, превышение которой приводит к так называемому "отжигу" провода, в результате которого резко снижается его механическая прочность и поскольку медь не обладает упругой деформацией, способность принять прежние размеры после остывания. Отожженный провод способен растягиваться под действием нагрузки от силы тяжести и буквально "лечь" на путь со всеми вытекающими по-
7 следствиями.
Причинами "отжига", как правило, являлись случаи неотключения К.З. выключателями фидеров (КС) вследствие их неправильной настройки или же отказа, а также случаи недопустимой перегрузки проводов подвески тяговыми токами от поездов повышенной массы и длины, отправленных "пачкой", т.е. друг за другом с минимальным интервалом. Таким образом, причиной отжига проводов является недопустимая по величине и длительная токовая нагрузка проводов подвески.
Общеизвестно, что допустимая нагрузка проводов зависит от состояния окружающей среды и, например, существенно больше зимой, чем летом. Следует особо отметить, что провод может быть отожжен и эластичность его потеряна не сразу по всей длине, а на отдельных локальных участках, где количество выделяемого тепла повышено, например, в местах износа контактного провода или же в местах, где к проводу крепятся зажимы электрических соединителей. В последнем случае повышенное выделение тепла может явиться следствием большого переходного сопротивления окислившихся или же плохо затянутых деталей электрических соединителей. Локальная потеря эластичности также опасна, так как может привести к растяжению, а затем и обрыву провода на этом участке. В настоящее время на электрифицированных железных дорогах для регистрации мест повышенного нагрева проводов КП используются ручные переносные приборы. Работа с ними малопроизводительна и неудобна, а получаемая информация - неоперативная. Поэтому ведутся работы по созданию систем автоматического контроля теплового состояния КП. Однако, до настоящего времени эта проблема не нашла своего окончательного решения. Это объяснятся спецификой условий работ систем контроля на железных дорогах и трудностями разработки простых и надежных устройств измерения температуры проводов.
Более рационально нагрузочная способность проводов КП используется при применение тепловых защит, так как они автоматически учитывают влияние внешней среды. Несмотря на то, что использование тепловых защит требу-
8 ет больших затрат на оборудование и его обслуживание, их применение полностью оправдывается. Из сказанного следует, что эффективная и надежная эксплуатация КС невозможна без объективного контроля, за тепловым состоянием проводов подвески, такой контроль должен быть осуществлён специальной "тепловой" защитой фидеров КС.
Именно в плане решения проблемы контроля теплового состояния и разработки устройства тепловой защиты контактной сети удовлетворяющею требованиям эксплуатации, и проводились теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых и составили основное содержание диссертационной работы.
Большой вклад в области тепловых расчетов проводов и создания аппаратуры по тепловому контролю контактной сети внесли Российские ученые в области электрификации железных дорог: В.Н. Пупынин, В.П. Михеев, А.С. Бо-чев, А.В. Котельников, В.П. Герасимов, Р.И. Мирошниченко, И.В. Павлов, В.А. Вологин, В.Л. Григорьев, А.А. Порцелан, Ю.П. Неугодников, И.П. Неугодников, А.И. Гуков, Г.Г. Марквардт, Л.С. Лабунский, Е.П. Фигурнов, Т.Е. Петрова, И.Б. Фогельсон, Б.С. Финкельштейн и другие [2, 21, 46, 49, 58, 60, 92, 93].
Однако неучет ряда эксплуатационных и метеорологических факторов, выдвигаемых со стороны контактной сети на позволяет сделать заключение об исчерпывающем решении проблемы теплового контроля контактной сети. Это явилось основанием начала исследований в этом направлении, развернутой в Самарской государственной академии путей сообщения на кафедре «Электроснабжения железнодорожного транспорта».
Целью работы является разработка методов теплового расчета проводов и устройства тепловой защиты контактной сети, удовлетворяющей требованиям эксплуатации.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:
1) провести анализ отказов контактной сети из-за недопустимого теплового режима;
провести анализ существующих методов измерения температуры проводов и устройств контроля за их тепловым состоянием;
определить статистические характеристики и доверительные интервалы превышения температуры нагрева проводов контактной сети при различных циклах тяговой нагрузки и воздействия метеорологических условий;
разработать методы теплового расчета проводов и определения локальных мест нагрева контактных проводов при различных циклах тяговой нагрузки;
теоретически и экспериментально обосновать место установки датчиков температуры тепловой защиты контактной сети;
разработать конструкцию тепловой защиты контактной сети с датчиками температуры, установленными в проводе;
провести экспериментальные исследования работы тепловой защиты контактной сети.
В результате решения этих задач:
предложены методики теплового расчета проводов контактной сети при различных циклах тяговой нагрузки и метеорологических условий;
методики анализа тепловых процессов в локальных местах износа контактного провода;
обосновано место установки датчиков температуры ТЗКС и её конструкция;
разработан тепловой стенд для исследования работы ТЗКС при любых циклах тяговой нагрузки.
Учитывая сложность решения задач, некоторые вопросы решались экспериментальным путем. На стенде с помощью регистрирующей аппаратуры.
На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана и доведена до внедрения устройство тепловой защиты контактной сети (ТЗКС), которая позволяет уменьшать число пережогов проводов контактной сети.
Новизна практических результатов подтверждена свидетельством на полезную модель и патентом по техническим решениям, полученным на их основе.
Анализ методов теплового контроля проводов контактной сети
Существующие защиты проводов контактной сети магистральных железных дорог от токов перегрузок и токов короткого замыкания не учитывают температуру нагрева проводов. Вследствие этого площадь сечения контактной подвески выбирается исходя из самых тяжелых климатических условий по условиям нагрева, а именно по всей территории железных дорог России берется температура окружающей среды +40 С с одновременным действием ветра 1 м/с, а затем определяется наибольший допустимый ток на данную подвеску. Это не исключает случаев недопустимого нагрева проводов при проведении объединенных поездов, т.к. ток уставки быстродействующих выключателей (БВ) всегда больше допустимого тока на подвеску. Принятая методика выбора типа подвески также не учитывает нагревание проводов за счет солнечной ра 18 диации. Поэтому в электроустановках, как правило, имеется защита по термической устойчивости.
Для этой цели предлагается (рис. 1.6) [28] устройство для защиты контактных проводов от перегрева - включающий в себя токопровод 1, в который включен эталонный элемент 2 с капсюлем 3, заполненным легкоплавким эвтектическим сплавом 4 (%: олово 18,75; свинец 31,25; висмут 50). В капсюль 3 погружен анкер 5, который удерживает во включенном положении якорь 6 реле и, следовательно, в сжатом состоянии пружину 7, а контакты 8 - в разомкнутом состоянии. Контакты 8 связаны со схемой 9 управления линейным выключателем. Катушка 10 реле служит для возврата анкера в капсюль 3.
Устройство для защиты КС от перегрева (рис. 1.7) [58], включает КС перегона 1 и эталонный участок КП 2, которые включены последовательно в токопровод 3. На отдельных проводах эталонного участка 2 установлены температурные датчики 4, которые соединены через согласующий элемент 5 с исполнительным реле 6, связанным с механизмом отключения 7 выключателя 8. Аналогичное устройство используется и на железных дорогах Швеции.
Устройство для зашиты КС от перегрева током (рис. 1.8) [60] включающий в себя датчик температуры 1, установленный на одном из проводов КС и измеряющий его температуру, величина которой пропорциональна величине протекающего тока. Выход датчика 1 связан с пороговым элементом 2 и входом функционального преобразователя 3 температуры, который через дополнительный пороговый элемент 4 соединен с цифроаналоговым преобразователем 5, входы которого соединены с соответствующими выходами реверсивного счетчика 6. Один вход счетчика через элемент 7 НЕ и элемент 8 выдержки времени соединен с выходом элемента 9 И, выход которого соединен с другим входом реверсивного счетчика 6, другой вход элемента 9 И подключен к выходу генератора 10 импульсов. Выход дополнительного порогового элемента 4 соединен с выходом элемента 11 отключения выключателя.
Недостатки данной аппаратуры заключаются в следующем: 1) ТЗКС не выполняет защиту от отжигов, например в местах локального износа контактного провода. Ток по ним протекает такой же как и по целому проводу; 2) не учитывается температура провода; 3) не учитывается охлаждение провода ветром. 4) нужно измерять температуру провода, а не температуру окружающей среды. Провод нагревается дополнительно от солнечной радиации до +50 С. Охлаждение ветром не учитывается, кроме того ветер действует - вдоль или поперек провода. 5) не ясно как выглядит датчик температуры. 6) защита не контролирует температуру при местном износе контактного провода.
Для измерения температуры проводов КС на практике использовался измерительный комплекс, в котором термопреобразователями температуры служили термопары. Недостатком такого способа является необходимость градуировки в полевых условиях, трудность получения низких температур для охлаждения, большие габариты и масса установки, а также сложность присоединения термопары к проводам.
Просты по устройству и надежны в работе электрические модели термического состояния контактного провода [92], в частности цепочка R - С (рис. 1.11). В основу ее положена математическая аналогия и подобие процессов нагрева-остывания контактного провода и заряда конденсатора.
В 2002 году на Куйбышевской железной дороге допущен 151 случай повреждения контактной сети, а в 1999, 2000 и 2001 годах было допущено соответственно 87, 92 и 113 случаев (таблица 1.1).
Удельная повреждаемость (на 100 км развернутой длины контактной сети) в 2002 году по сравнению с 2001 годом увеличилась на 33,6% и составила 1,89 повреждений против 1,41 повреждений в 2001 году.
Анализ причин нарушений в работе устройств энергоснабжения показывает, что при всем их разнообразии они сводятся к двум основным факторам (до 50% всех нарушений): эксплуатационные недосмотры, нарушение сроков профилактических осмотров и ремонтов, техническая неграмотность обслуживающего персонала, т.е. так называемый человеческий фактор; старение конструкций, деталей и отдельных элементов устройств. Повреждения контактных проводов остается практически на одном уровне, однако можно проследить тенденцию к увеличению случаев обрыва и пережогов контактных проводов. Увеличились случаи пережогов контактных проводов в местах секционирования на изолирующих сопряжениях. Кроме того, наблюдается увеличение пережогов несущих тросов, питающих и усиливающих проводов.
Характеристики нагревания проводов контактной сети
В устройствах контактной сети электрифицированных дорог как постоянного, так и переменного тока применяются: медные провода Ml20, М95, МФ100, МФ85, сталемедные марок - ГТБСМ95 и ПБСМ70. В качестве усиливающих проводов цепной подвески используют алюминиевые и сталеалюмине-вые с площадью сечения 120, 150, 185 и 240 мм .
Исследованиями, проведенными в ЦНИИ МПС [67] получено, что для медных контактных проводов наибольшая температура нагрева может быть принята, раной 120 С не более 500 часов за все время срока службы провода. Здесь имеется ввиду, что эта температура является суммой температур окружающей среды и превышением температуры, вызванного токами нагрузки. В результате этого наиболее тяжелое условие для нагревания провода будет при наибольшей температуры окружающей среды и наименьшей скорости ветра.
Температура нагрева провода в значительной степени зависит от условий охлаждения, которая определяется величиной теплоотдачи с поверхности провода и представляет собой мощность, отдаваемую с поверхности единицы длины провода, когда его температура превышает температуру окружающей среды на 1 С и обычно выражается в Вт/м-С. Найденные в ЦНИИ МПС экспериментальным путем на специальной установке при скорости воздушного потока 1 м/с величины теплоотдачи с поверхности проводов, наиболее часто применяемых в устройствах контактной сети, приведены в табл. 2.1. В табл. 2.2 для наиболее часто применяемых сечений контактной подвески указаны провода, которые ограничивают величину тока по условиям нагрева (провода, температура нагрева которых раньше достигает максимально допус 45 тимого значения).
При электрической тяге на переменном токе при распределении тока между несущим и контактным проводом необходимо исходить из полного их сопротивления z. В этом случае ограничивающим по условиям нагрева становится биметаллический несущей трос. Таблица 2.2 Величина наибольшего допустимого тока по условиям нагрева при длительном его прохождении Провода контактной сети Сопротивление контактной сети, Ом/км (при +20С) Провод контактный подвески, ограничивающий токпо условиям нагрева Наибольший допустимый по условиям нагрева ток, А С-70+МФ-85 0,188 МФ-85 550 М-95+МФ-100 0,0945 МФ-100 1200 М-120+МФ-100 0,0839 М-120 1280 М-120+2МФ-100 0,0571 М-120 1880 М-120+2МФ-100+А-185 0,0428 А-185 2510 М-120+2МФ-100+2А-185 0,0342 А-185 3140 М-95+2МФ-100 0,0618 МФ-100 1800 М-95+2МФ-100+А-185 0,0453 А-185 2370 М-95+2МФ-100+2А-185 0,0358 А-185 3000 ПБСМ1-95+2МФ100 0,0773 МФ-100 1340 ПБСМ1-95+2МФ-100+А-185 0,0532 А-185 1970 ПБСМ1-95+2МФ-100+2А-185 0,0405 А-185 2550 Существенным вопросом является правильный выбор расчетных схем, режима работы электрифицированной линии и питания контактной сети, которые реально могут иметь место и являются наиболее неблагоприятными в отношении нагрева проводов в выбранных расчетных сечениях.
Для исследования тепловых характеристик проводов при малых скоростях движения провода в неподвижной воздушной среде в ЦНИИ МПС была ис 46 пользована специальная установка [65]. Нагрев образцов в установке осуществлялся от постоянного или переменного тока. На установке в установившемся режиме были определены возможные превышения температуры проводов при скоростях ветра от 0 до 2 м/сек и различных токах. Установка позволяла получать токи до 1500 А с изменением температуры перегрева до 160 С. Всего было испытано около 50 проводов различных марок. Тепловые характеристики проводов снимали для скоростей ветра 0; 1; 1,5; 2 м/сек. в каждом случае фиксировали режим установившейся температуры для данного образца провода, после чего строили кривую (рис. 2.5) зависимости превышения температуры от времени для различных значений тока.
Как показали эксперименты, время нагрева проводов до наибольшей установившейся температуры зависит от их площади сечения и конфигурации. При токах, близких к наибольшим допустимым по нагреву, это время составляет 16-22 мин для контактного провода, причем меньшие значения относятся к проводам малых диаметров.
Для построения кривой превышения температуры в зависимости от тока опыт для каждого режима охлаждения повторяли 3-4 раза при различных значениях тока. После проведения испытаний для каждого из проводов строили зависимости превышения температуры от тока для скоростей ветра 0; 1; 1,5 и 2 м/сек. Сравнение тепловых характеристик (рис. 2.6) проводов МФ-100, МФО-100 и МФ-150 при скорости охлаждения провода 1 м/сек дает основание утверждать, что на допустимую токовую нагрузку провода влияет не только величина сечения провода, но и его профиль. Так, например, при токовой нагрузке 600 А превышение температуры провода МФ-100 составит 60 С, в то время как у провода МФО-100 он будет 48С, а у провода МФ-150 - только 38 С при этом же значении тока.
Испытания позволили установить, что при износе контактных проводов изменяются и величины допустимых токовых нагрузок. При этом по мере износа удельная плотность тока возрастает по линейному закону для любой из скоростей ветра в диапазоне 0-2 м/сек, а допустимый ток на оставшееся сечение провода падает. Например, для превышения температуры 60С и скорости ветра 1 м/сек при износе контактного провода МФ-100 на 40% допустимый ток упадет с 600 до 420 А. Во время испытаний было установлено, что для всех проводов, кроме ПБСМ (сталемедные) и стальных, род тока практически не влияет на величину тока.
При изготовлении сталемедных витых проводов типа ПБСМ содержание меди в отдельных проволоках колеблется в пределах 40 - 60 % сечения. В результате этого колеблется и временное сопротивление разрыву проволок, кото-рое составляет 92-=-65 кГ/мм при значительном колебании их проводимости.
Характеристики остывания (рис. 2.7) проводов зависят от условий охлаждения провода ветром, конечной температуры и геометрических параметров провода. При одних и тех же условиях охлаждения и отсутствии тока нагрузки остывание провода происходит несколько интенсивнее у проводов меньших сечений. При больших скоростях ветра интенсивность охлаждения проводов будет значительно возрастать, вызывая при этом резкое снижение температуры проводов.
На рис. 2.8 приведены характеристики нагревания проводов при отсутствия ветра. Сравнение характеристик рис. 2.6 и 2.8 показывает что, например, при токе 400 А при ветре 1 м/с превышение температуры для МФ100 составляет 20 С, а при отсутствия ветра 40 С.
Исследование тепловых процессов в контактном проводе с участками местного износа
Изучение тепловых процессов в контактной подвеске и рационально организованный контроль за этими процессами позволяет максимально повысить пропускную способность электрифицированных железных дорог, не допуская при этом опасных перегрузок контактной подвески.
Рассмотрим тепловые явления в контактном проводе, который в процессе длительной эксплуатации претерпел естественный износ. Износ контактного провода токоприемником ЭПС происходит весьма неравномерно по длине провода. Образуются участки повышенного износа. Ослабленные к воздействию на разрыв из-за уменьшения площади сечения провода эти участки обладают повышенным сопротивлением и, как следствие, подвергаются усиленному нагреву тяговыми токами. Возникает локальный отжиг контактного провода, резко снижается его механическая прочность и возникает аварийный разрыв контактного провода.
Контроль за тепловым состоянием контактного провода может служить не только целям оптимизации нагрузки контактной сети, но и применяться для оперативной оценки степени износа проводов в процессе длительной эксплуатации.
Для теоретического изучения тепловых процессов в контактном проводе с участками повышенного локального износа, необходимо: 1) иметь нестационарную краевую задачи теплопроводности для бесконечного тонкого провода, при наличии локальных внутренних теплоисточников и конвективного теплообмена с окружающей средой. 2) получение точного и приближенного решений поставленной краевой задачи для описания распределения температуры по длине контактного провода и динамики ее изменения во времени. 3) выполнение прикладного анализа полученных решений. Формулировка выводов, относительно наиболее существенных закономерностей тепловых процессов в контактном проводе. Постановку нестационарной краевой задачи нагрева контактного провода тяговым током начнем с анализа особенностей тепловыделения в неравномерно изношенным проводе, по которому протекает тяговый ток. Результатом такого анализа должно стать математическое описание процесса тепловыделения, учитывающее степень износа контактного провода.
Прежде всего необходима информация о величине и характере изменение тягового тока в различных точках контактного провода, расположенного между соседними питающими подстанциями. Эта информация была получена экспе 80 риментальным путем. На Куйбышевской железной дороге была проведена серия опытов по измерению и регистрации тягового тока в контактном проводе при движении состава по участкам исследуемой зоны. На основе обработки представленной выборки опытов было выявлено четыре наиболее характерных типа поведения тягового тока, которые наглядно представлены на рис. 3.2. Вид токовых осциллограмм ясно отражает картину изменения тягового тока во времени при его измерении в различных точках фидерной зоны. При внешнем различии вида токовых осциллограмм, представленных на рис.3.2 (а, б, в, г), поведение тягового тока в линии может быть описано общим математическим выражением: 1{х)=Н{т)111-е-"{ :, (3.26) где Н(т) - ступенчатая (ограничивающая) функция Хевисайда; в,у- параметры, определяемые опытном путем. Н(т)=1, если т 0\ Н(т)=0, если т 0. Функция (3.26) представляет квадратичную экспоненту с отрицательным показателем, доопределенную с помощью Н(т) нулевым значением при т 0. Пользуясь методом наименьших квадратов, можно для любого конкретного случая определить значение параметров в и у, при которых функция (3.26) будет с вполне удовлетворительной точностью описывать кривую тока в любой точке контактного провода. Примем выражение (3.26) в качестве математического описания поведения тягового тока в контактном проводе в период движения поезда в пределах фидерной зоны. Далее рассмотрим процесс тепловыделения в контактном проводе под действием тягового тока.
Приступая к постановке краевой задачи, отметим следующий важный момент. Основной интерес для нас представляет изучение тепловых явлений в контактном проводе, обусловленных наличием мест локального износа, другими словами, именно превышение температуры изношенных проводов над неизношенными, а также характер его распределения являются причиной отжига. Поэтому представим постановку краевой задачи, оперируя величиной превы 83 шения температуры изношенного провода участка контактного провода над неизношенным.
Краевую задачу в постановке (3.41 -3.44) удобнее решать и анализировать в безразмерной (критериальной) форме записи. Это придает большую общность результатам решения и упрощает запись математических выражений. Чтобы перейти к безразмерной форме следует задать масштабный линейный размер, а также масштабную температуру - 0М.
Это значит, что в начальный момент времени, при возникновении в сети тягового тока, температура во всех точках изношенного провода одинакова, т.е. превышение температуры изначально отсутствует; во-вторых, положительность подынтегральной функции в решении (3.61) при всех т 0, также приближение её к нулю при т- оо, означает, что превышение температуры провода в(х, т) в любой точке х является всегда возрастающей функцией времени, стремящейся с течением времени при больших т— сок установившемуся значению. Проверка этого утверждения традиционными методами математического анализа достаточно проста.
Выбор места установки датчиков температуры ТЗКС
При использовании измерителя температуры нагрева проводов контактной подвески и устройств контроля необходимо точно знать, где и какой из проводов нагревается больше, т.е. является лимитирующим в данной подвеске. Например, для подвески М120+2МФ100+А185 лимитирующим проводом является усиливающий провод А185. Однако, как показывают исследования, лимитирующим проводом для этой подвески может быть контактный провод с местным износом. Данное положение обусловливается тем, что, как показали измерения, проведенные в условиях эксплуатации, длина местных износов не превышает 4 м. Эта часть контактного провода не может повлиять на распределение токов по проводам подвески, т.к. увеличение продольного сопротивление практически не происходит. В результате ток, протекающий по неизношенной части контактного провода, протекает также и по проводу, имеющему один и тот же местный износ.
Для решения вопроса, на каком расстоянии от подстанции участок с местным износом будет нагреваться больше, воспользуемся графиком тока нагрузки фидера, полученной методом сечения графика движения поездов через каждые 30 сек.
Для исследования превышения температуры контактного провода с местным износом был использован специальный тепловой стенд. Запись характеристик превышения температуры производилась с помощью прибора АРРА - 109 на монитор ПЭВМ.
Расчетные характеристики (рис. 4.2, а) резко отличаются от экспериментальных (рис. 4.2, б). Анализ показал, что для совпадения расчетных и экспериментальных характеристик коэффициент 2,5 в формуле (4.1) должен быть равен 1,935. Из рис.4.2 а и б также видно, что если контактный провод имеет износ и находится между подстанцией и контактной сетью (характеристика 13), то он нагревается значительно ниже. Отсюда следует, что определяющим местом для контроля температуры является контактный провод с местным износом, находящимся в непосредственной близости от места присоединения питающего фидера подстанции. Из экспериментальных кривых рис.4.2, б, видно, что провод в зависимости от расположения на фидерной зоне будет находится в нагретом состоянии (выше +100 С) при окружающей температуре +20 С и скорости ветра Ve=0 от 10 мин. при 1=0 до 4,5 мин при /=5,5 км.
В связи с этим для контроля нагретой точки имеются два варианта: или контроль контактного провода в зоне с местным износом, где он больше всего нагревается на фидерной зоне, или в пролете между подстанцией и контактной подвеской. Контроль по первому варианту в эксплуатационных условиях осуществить практически невозможно из-за дополнительного износа контактного провода токоприемниками.
Расчетные (а) и экспериментальные (б) кривые превышения темпе-ратуры контактного провода, имеющего оставшееся сечение 65 мм на длине 85 см при его различном удалении от подстанции 1-/=5,5 км; 2-5,0; 3-4,5; 5-3,5; 6-3,0; 7-2,5; 8-2; 9-1,5; 10-1; 11-0; 12-0 км, 13-то же для находящегося между подстанцией и контактной сетью участка между подстанцией и контактной сетью является предпочтительным. На рис. 4.3. приведены характеристики нагревания локального процесса контактного провода, находящегося в непосредственной близости от места присоединения питающего фидера подстанции и провода, рассматриваемого в контрольном участке.
Результаты теоретических исследований по месту расположения датчика температуры проводов контактной сети проверено с помощью устройства для контроля температуры контактной подвески (рис. 4.4) [41]. Для повышения точности работы ТЗКС, необходимо подобрать датчик с линейной зависимостью сопротивления от температуры. Наилучшей линейностью обладает кремневый р-п переход, смещенный в прямом направлении при пропуске через него тока менее 1 мА. Схема датчика представлена на рис. 4.5. Для установки порогов срабатываний тепловой защиты 95, 120, 140С можно применить три одинаковые схемы компараторов напряжения с подбором порога переключения [1].
Работа теплового стенда в различных режимах работы системы тягового электроснабжения должна удовлетворять следующим требованиям:
1) возможность нагревания проводов цепной подвески в различных режимах работы системы тягового электроснабжения. К ним относятся: нормальный режим, кратковременный с наибольшим током нагрузки (пусковой режим работы ЭПС); режим к.з.; нормальный режим с одновременным возникновением короткого замыкания;
2) автоматическую запись характеристик нагревания проводов или превышения температуры, изменение величины тока нагрузки, время действия тока, подачу светового или звукового сигнала при достижении температуры нагрева: медных проводов до 95 С, 120 С по истечении 3 мин, 140 С по истечении 1 мин, после чего сигнал на отключение БВ; алюминиевых проводов, соответственно - 90 С, 100 С и 110 С;
3) одновременную запись на едином формате кривой изменения тока нагрузки и температуры;
4) возможность использования ПЭВМ для контроля температуры и записи графика нагревания проводов.
Схема аналогово-цифрового преобразователя с тремя порогами 15 На рис. 4.9 представлена структурная схема стенда для испытания работоспособности устройства тепловой защиты контактной сети. Стенд состоит из следующих основных узлов: мотор - генератор на 2 кА, 6 В; шунт на 2 кА, 75 мВ; контрольного провода с установленными в тело провода датчиками температуры; термопара с измерительным прибором АРРА-109, подключенная к персональному компьютеру; пускорегулирующей аппаратуры; быстродействующего выключателя ВАБ-43 и тепловой защиты контактной сети.
