Исследование электропроводности антисептированной древесины комбинированной изоляции «фарфор-дерево» воздушных линий железных дорог

Актуальность темы

исследований. Ресурсосбережение, как важнейший аспект технической политики МПС, заключающийся в реализации научно обоснованных мер по снижению расходов материалов и изделий на ремонтно-эксплуатационные нужды, приобрело в современных условиях особую актуальность. Конечной целью перехода железнодорожной отрасли на ресурсосберегающие технологии в соответствии с директивными материалами Правительства РФ от 2 января 1995 г. № 1087 «О неотложных мерах по энергосбережению топливно-энергетических ресурсов (от 30 апреля 1996 г.№А-4784) является экономия трудовых, топливно-энергетических и материальных ресурсов при улучшении качества содержания и ремонта технических средств, повышение уровня их технического состояния и надежности.

Несущие и опорно-поддерживающие конструкции контактной сети (КС) и воздушных линий напряжением 6−10кВ (цепи СЦБ и ПЭ), ДПР 27,5 кВ, питающих проводов при системе 2×25 кВ, волноводных проводов, проводов линий напряжением до 1 кВ и др., в основном, состоят из деревянных кронштейнов типа ДО, ДНО, ДНОУдеревянных траверс типа: ТВО, ТВ, ТСО, ТСдеревянных брусьев типа Бдеревянных опор типа: П-1Ц-Д-С, А-1Ц-Д-С, АУ-1Ц-ЖБ-С и др.

В настоящее время наиболее распространенным пропиточным химическим средством, используемым для биозащиты несущих и опорно-поддерживающих конструкций BJI железнодорожного транспорта, является, в основном, каменноугольное креозотовое масло (КМ) (ГОСТ 2770−74) и, значительно реже, ХМ (ГОСТ 23 787.8−80).

Анализ эксплуатации ВЛ в энергосистемах, в системах электроснабжения электрифицированных железных дорог и нетяговых потребителей показывает, что деструкция древесины линий обусловлена биологическими и электрическими воздействиями. Токи утечки способствуют возгоранию и пожарам деревянных элементов воздушных линий, особенно в районах с загрязненной атмосферой.

Самарским институтом инженеров железнодорожного транспорта разработан, апробирован и рекомендован новый дешевый препарат нефтяного шпалопропиточного материала типа ПЖВ. Препарат ПЖВ при комплексном исследовании электроизоляционных свойств и характеристик древесины, пропитанной этим препаратом, в широком диапазоне изменения температуры и влажности среды, воздействия высокого напряжения на деревянный элемент комбинированной изоляции «фарфор-дерево» может способствовать повышению сроков службы деревянных конструкций, повышению координации изоляции ВЛ и КС.

Диссертационная работа представляет собой теоретическое обобщение и практическое решение важнейшего приоритета энергетической стратегии железнодорожной отрасли, определяемого отраслевой Программойстимулирование сбережения энергоресурсов за счет проведения ряда технических решений, снижающих потери мощности энергии в системах электроснабжения внедрением новых электроизоляционных материалов и изделий, обеспечивающих достаточно малую вероятность перекрытия наружной изоляции с учетом влияния загрязнения и увлажнения на ее электрическую прочность.

Целью работы является разработка научно-практических основ внедрения в практику электросетевого строительства новых материалов, совершенствующих координацию изоляции ВЛ и КС и технологический процесс их обслуживания.

Идея работы: расширение применения в электросетевом строительстве древесины — природного электроизоляционного материала, свойство которого возрастает с пропиткой ее эффективными химическими препаратами, увеличивающими био-и огнедеструкцию и, следовательно, срок службы деревянных конструкций ВЛ.

Реализация сформулированной выше цели требует решения ряда задач, основными из которых являются:

• анализ современного состояния координации комбинированной изоляции «фарфор-дерево» воздушных линий железных дорог;

• анализ существующих направлений развития теории электропроводности органических электроизоляционных материалов;

• исследование сложного механизма взаимодействия древесины с электромагнитным полем (ЭМП) в аспекте применения аналитических методов для определения электрических свойств древесины;

• исследование механизма электротеплового пробоя древесины и факторов, влияющих на этот процесс;

• анализ экспериментальных исследований электропроводности древесины и воздействия высокого напряжения переменного тока на деревянный узел комбинированной изоляции «фарфор-дерево» ;

• анализ отечественных и зарубежных средств химической защиты. Обоснование выбора эффективного пропиточного химического препарата, защищающего древесину от биои огнедеструкции, повышающего ее электроизоляционные свойства и обеспечивающего ее долговечность;

• разработка математических моделей влияния условий эксплуатации на электропроводность антисептированной составом ПЖВ деревянной части комбинированной изоляции «фарфор-дерево» ;

• теоретические и экспериментальные исследования электропроводности древесины, пропитанной различными химическими препаратами, применяемые в настоящее время для защиты деревянных элементов ВЛ;

• разработка рекомендаций и предложений по внедрению новых эффективных пропиточных химических защитных препаратов для повышения электроизоляционных свойств древесины ВЛ железных дорог.

Методы исследований: Комплексные экспериментальные исследования воздействия высокого напряжения на разрушение типовых деревянных конструкций ВЛ и КС выполнены на специальной высоковольтной испытательной установке ИОМ-ЗОО/бОО. Экспериментальные исследования электропроводности консервированной древесины сосны проводились с использованием современных электроизмерительных приборов, специальных электродов и климактермокамеры.

Теоретические исследования электропроводности древесины проводились путем разработки математических моделей влияния температуры и влажности среды, загрязнения и увлажнения на это свойство твердопористых материалов. Математическое моделирование физического состояния элементов узла «фарфор-дерево» выполнено на ПЭВМ. При обработке экспериментальных данных и оценки их достоверности использованы численные методы, методы оптимизации и математической статистики. В основу теоретического обоснования процесса возгорания деревянных элементов ВЛ, эксплуатирующихся в условиях загрязненной атмосферы, положена теория теплои массобмена в пористых (гетерогенных) средах.

Научная новизна и достоверность результатов работы:

1.Разработана математическая модель температурно-влажностного состояния деревянного узла комбинированной изоляции «фарфор-дерево» ВЛ. Учтены факторы влияющие на этот процесс: радиальное направление волокон древесины сосны, воздействие токов утечки и др.

2.Разработана математическая модель электропроводности антисептированной ПЖВ древесины узла комбинированной изоляции «фарфор-дерево» с учетом ее загрязнения, увлажнения и воздействия высокого напряжения.

3.Предложен эвристический метод расчета эквивалентного сопротивления узла комбинированной изоляции «фарфор-дерево» с учетом интенсивности увлажнения и загрязнения его поверхности пылью.

4.Получена оценка возможного возгорания деревянных траверс с учетом толщины жидкой пленки и интенсивности загрязненности пылью поверхности изоляции несущих конструкций ВЛ.

5.Получены аналитические зависимости расчета токов утечки и эквивалентного сопротивления, позволяющие оценить параметры и характеристики комбинированной изоляции «фарфор-дерево», уровень изоляции ВЛ при факторе комплексного увлажнения и загрязненности изолирующих элементов.

6.Впервые получены зависимости электрического сопротивления образцов антисептированной ПЖВ древесины сосны в различных температурно-влажностных режимах и направлениях разрушения волокон. По результатам исследования даны рекомендации и обоснования по пропитке древесины несущих и опорно-поддерживающих конструкций ВЛ составом ПЖВ. Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, близостью расчетных и экспериментальных значений параметров и характеристик, полученных в лабораторных условиях.

Практическое значение работы. Экспериментально установлены закономерности изменения электрического сопротивления деревянного узла комбинированной изоляции «фарфор-дерево», пропитанного составом ПЖВ, в широком диапазоне изменения температуры и относительной влажности среды.

Экспериментально установлены закономерности воздействия высокого напряжения переменного тока на разрушение антисептированной деревянной части комбинированной изоляции «фарфор-дерево» с учетом увлажнения и загрязненности ее поверхности и изменения высокого напряжения источника в широком диапазоне.

По результатам экспериментальных исследований определена оценка возгорания от токов утечки древесины типовых изделий ВЛ с учетом условий эксплуатации.

Теоретически и экспериментально обоснованы рекомендации по внедрению новой пропиточной жидкости ПЖВ в электросетевое строительство для защиты деревянных несущих и опорно-поддерживающих конструкций ВЛ и КС от биои огнедеструкции.

Предложены аналитические выражения, позволяющие определять грозоупорность ВЛ, выполнять работы по составлению карт уровней изоляции, повысить координацию изоляции ВЛ железных дорог.

По результатам исследований новый антисептический состав ПЖВ внедрен службой «Э» Куйбышевской железной и дороги для защиты деревянных конструкций BJ1 от биои огнедеструкции.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований использованы: в НИР СамИИТ «Повышение уровня изоляции деревянных конструкций КС и BJ1 внедрением пропиточной жидкости ПЖВ» — в учебном процессе Самарского института инженеров железнодорожного транспорта при изложении дисциплин «Контактная сеть», «Электрические станции, сети и системы», «Электротехнические материалы и техника высоких напряжений», «Сооружение, монтаж и эксплуатация устройств электроснабжения» .

Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований докладывались и обсуждались на отраслевой НТК «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов-на-Дону, 1998 г.), межвузовских конференциях (СамИИТ, 1997;1998 г. г., ДВГУПС 1998 г.), семинарах (ЦНИИМОД Архангельск, 1998 г., Екатеринбург, 1999 г.- CAO Энергосетьпроект, Ташкент 1998 г.), совещаниях службы «Э» Куйбышевской железной дороги в 1997 — 1999 г. г.

Диссертационная работа рассматривалась и одобрена кафедрами «Электроснабжение железнодорожного транспорта» СамИИТа и «Электроснабжение транспорта» УрГАПС.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 8 печатных работах в тезисах НТК, вузовских и межвузовских сборниках научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 12 таблиц и 2 6 рисунков, приложений, состоящих из 3 страниц. Библиографический.

Выводы по пятой главе.

1.Предложен эвристический метод расчета эквивалентного сопротивления схемы замещения комбинированной изоляции «фарфор-дерево», состоящей из сопротивления минерализованной жидкой пленки, подключенной параллельно поверхностному электрическому сопротивлению деревянной траверсы.

2. На основе экспериментальных исследований получены аналитические зависимости для расчета токов утечки и эквивалентного сопротивления, позволяющие выявить закономерности изменения этих величин в функции от увлажнения и загрязненности изолирующих элементов ВЛ. Анализ полученных зависимостей показал надежность и высокую достоверность опытных данных.

3.Установлена зависимость времени возгорания деревянных траверс ВЛ от воздействия высокого напряжения при различных значениях загрязненности и увлажнении их поверхностей.

4.По результатам исследований приведены рекомендации и экологическое обоснование по внедрению нового пропиточного состава ПЖВ для защиты деревянных ВЛ от био-и огнеразрушения.

Заключение

.

Анализ литературных данных и материалы собственных исследований позволили утверждать, что многочисленными предприятиями энергосистем и НИИ России, СНГ в последние 45−50 лет проведены глубокие исследования научной и народно-хозяйственной проблемы по совершенствованию эксплуатации и повышению надежности электрических сетей энергосистем, в том числе и воздушных линий железных дорог МПС. В результате получена разнообразная информация о надежности и, что особенно важно, позволяющая установить (опытным путем) причинно-следственную связь между природно-климатическими воздействиями, условиями эксплуатации ВЛ и уровнем их надежности.

В процессе исследования, сформулированных цели и задачи в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

1.Математическая модель расчета электропроводности увлажненной и загрязненной изоляции «фарфор-дерево» воздушных линий с учетом интенсивности поступления масс жидкости и загрязнения.

2.Разработана математическая модель влияния условий эксплуатации на температурно-влажностное состояние деревянного узла комбинированной изоляции ВЛ с учетом направления волокон в древесине и других факторов,;

3.Экспериментально исследовано влияние высокого напряжения промышленной частоты на разрушение типовых деревянных конструкций ВЛ из натуральной и антисептированной препаратами ПЖВ, КМ и ХМ-11. Установлено, что натуральная древесина, пропитанная новым составом ПЖВ, более устойчива к разрушению токами утечки, чем древесина антисептированная ХМ-11 и особенно КМ. По результатам испытаний получены диаграммы реакции древесины на воздействие высокого напряжения в широком диапазоне изменения.

4.Установлено, что влагопоглощение образцов древесины, пропитанных новым составом ПЖВ, в зависимости от выдержки их в «бане» при постоянных значениях температуры 20 °C и 40 °C значительно ниже, чем у образцов антисептированных КМ и ХМ-11.

5.Установлено, что электрическое сопротивление образцов древесины, пропитанных составом ПЖВ, изменяется в пределах Ю8. Ю90м при постоянной температуре в «бане» .

20 °C и времени выдержки их б часовпри температуре 80 °C и такой же выдержке сопротивление изменяется в пределах.

109.106 Ом.

6.Впервые экспериментально получен омический гистерезис образцов древесины при изменении температуры в камере от -40°С до +40°С и постоянной влажности 70.80%. Длительность каждого из трех термоциклов составляла 7,5−8 часов. Установлено, что при таких условиях испытания о величина ^ не опускалась ниже 10 Ом.

7.Предложен эвристический метод расчета эквивалентного сопротивления Яэ схемы замещения комбинированной изоляции «фарфор-дерево», состоящей из сопротивления минерализованной жидкой пленки, подключенной параллельно поверхностному сопротивлению деревянной траверсы линии.

8. По данным экспериментальных исследований получены аналитические зависимости расчетов токов утечки и величины Яэ изоляции «фарфор-дерево» с учетом увлажнения и интенсивности загрязнения ее изолирующих элементов.

9.Проведена оценка и установлена зависимость возгорания деревянных траверс ВЛ от времени воздействия высокого напряжения при различных значениях концентраций загрязненности и интенсивности увлажнения их поверхностей. Установлено, что при увлажнении траверс и степени загрязненности их поверхностей выше 1 мг/см2, вид и концентрация антисептика и способ пропитки не определяют и не влияют на время возгорания деревянных элементов ВЛ от токов утечки.

10. По результатам исследований разработаны рекомендации и экологическое обоснование по внедрению нового пропиточного состава ПЖВ для защиты деревянных ВЛ от биои огнеразрушения.