Разработка технических средств для определения состояния изолирующих покрытий кабелей электроснабжения и связи на электрифицированных железных дорогах

Постановка задачи. Эффективность работы железнодорожного транспорта, его пропускная и перерабатывающая способность во многом определяются системой управления, использующей современные технические средства, обязательными элементами которых являются системы электрификации и системы передачи и обработки больших потоков информации. Основным определяющим и дорогостоящим элементом этих систем являются кабельные линии электроснабжения и связи. Как правило, стоимость кабельных линий значительно превышает стоимость станционного оборудования.

Нормативные срок службы кабельных линий (КЛ) составляет более 40 лет. Однако кабель выходит из строя раньше срока из-за нарушения целостности его герметизирующей оболочки. Такие нарушения происходят при земляных работах на трассе кабеля, от сезонных замерзаний грунта, при ударах молний, от вибрации почвыочень велика доля повреждений из-за электрохимических процессов, происходящих на границе раздела сред «оболочка-земля» при различных видах коррозии.

Вероятность коррозии металлических покровов железнодорожных кабельных линий во много раз больше, чем кабелей других ведомств, так как они расположены в непосредственной близости от тяговой сети — источника гальванического и индуктивного влияния.

Задача обеспечения защиты оболочки кабелей от коррозийного разрушения является достаточно сложной. Традиционные методы защиты кабелей энергетики и связи такого типа часто становятся малоэффективными и дорогостоящими мероприятиями.

Целью работы является разработка технических средств дистанционного и локального определения состояния изолирующих покрытий оболочки кабелей.

Для достижения поставленной цели была осуществлена следующая программа теоретических и экспериментальных исследований:

1. Расчет и экспериментальное определение параметров металлических покровов кабелей электроснабжения и связи.

2. Исследование параметров повреждений изолирующего покрытия оболочек кабелей.

3. Распределение напряжений и токов по длине оболочки кабеля с поврежденным изолирующим покрытием.

4. Определений напряжений и токов в пучке кабелей.

5. Распределение потенциала и напряженности магнитного поля на поверхности земли от поля кабеля с поврежденным изолирующим покрытием.

6. Разработка технических средств определения состояния изолирующих покрытий оболочки кабеля.

7. Оценка параметров магнитного поля помехи в условиях электротяги переменного и постоянного токов.

8. Разработка технических средств дистанционного контроля величины сопротивления изоляции оболочки кабеля в шланговом изолирующем покрытии.

9. Разработка технических средств определения мест повреждения изолирующего шлангового покрытия.

Методы исследования. В основу теоретических и экспериментальных исследований положены теории электромагнитного поля и электрических цепей с использованием ПЭВМ. Проведены расчеты параметров металлических покровов кабелей электроснабжения и связи, распределения потенциала и напряженности магнитного поля на поверхности земли от кабеля с поврежденным изолирующим покрытием. Для определения параметров повреждения изолирующих покрытий кабеля от температуры и тока поляризации проведены лабораторные экспериментальные исследования. Результаты измерений в полевых условиях позволили оценить параметры электрического и магнитного поля помехи.

Практическая ценность диссертационной работы.

1. Разработанные технические средства дистанционного контроля величины сопротивления изоляции оболочки кабеля позволят проводить диагностику состояния изолирующих покрытий кабелей.

2. Технические средства определения мест повреждения изолирующего шлангового покрытия позволят оперативно определять места повреждения на участках железных дорог с электротягой поездов постоянного и переменного токов и своевременно устранять повреждения.

Внедрение. Результаты диссертационной работы в части дистанционного определения величины сопротивления изоляции оболочки магистрального кабеля внедрены на участке Омск — Любинская ЗападноСибирской железной дороги. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения составляет 30 300 рублей, в ценах 1998 г. Результаты работы в части технических средств определения мест повреждения изолирующего шлангового покрытия внедрены на Кокчетавском отделении Целинной железной дороги. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения составляет 2519 рублей, в ценах 1998 г.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции «Методы и средства диагностирования технических средств» г. Омск, 1989 г.- на И-й международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта», посвященной 100-летию МИИТа, г. Москва, 1996 г.- на техническом совете электротехнического факультета, ОмГУПС, 1997 г.- на научных семинарах кафедры «Системы передачи информации», ОмГУПС, 1996 г., 1997 г.- на научно-техническом совете ВНИИЖТа, 1997 г.

Работа выполнена на отделении «Электрификации» ВНИИЖТа и кафедре «Системы передачи информации» ОмГУПС.

Публикации. Г1о материалам диссертационной работы. опубликовано 11 статей. Оформлено 3 акта внедрения.

1. КОРРОЗИЙНОЕ СОСТОЯНИЕ КАБЕЛЕЙ НА СЕТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОЕ.

На сети железных дорог основным источником индуктивного и гальванического влияния на соседние подземные сооружения является тяговая сеть электрического рельсового транспорта [1]. Особенностью электрического рельсового транспорта является использование рельсовой цепи в качестве обратного провода для возврата тяговых токов на подстанцию. Но из-за неидеальной изоляции рельсов от земли, часть тягового тока проникает в землю, который может достигать десятки и сотни ампер [2]. Начиная с 40-х годов, вопросы защиты подземных сооружений от блуждающих токов регламентировались межведомственными правилами защиты, в дальнейшем стандартом и инструкциями [3, 4, 5, 6, 7].

Организация технического обслуживания линейно-кабельного хозяйства, обеспечение безаварийной работы магистральных кабельных линий в течение всего амортизационного периода является сложной инженерно-технической задачей, которая в настоящее время полностью не решена. Одним из факторов, обеспечивающих безаварийную работу кабельной линии, является защита от коррозии герметизирующей оболочки кабеля.

Вероятность коррозии металлических покровов железнодорожных кабельных линий во много раз больше, чем кабелей других ведомств, так как они расположены в непосредственной близости от тяговой сети [8, 9, 10], поэтому вопросы защиты подземных сооружений от коррозии блуждающими токами не могут успешно решаться без учета построения и режима работы тяговой сети железнодорожного электрического транспорта.

В настоящее время на сети железных дорог находится в эксплуатации большое количество кабельных линий в шланговом изолирующем покрытии (около 35% от общей протяженности кабельных магистралей). Изолирующий полимерный покров, нанесенный на алюминиевую оболочку в заводских условиях, предотвращает взаимодействие алюминия с окружающей средой, что предохраняет оболочку от коррозийного разрушения. Однако в процессе укладки и эксплуатации шланговый покров часто получает механические повреждения, после чего алюминиевая оболочка быстро выходит из строя. Кроме того, полимерное покрытие под действием некоторых органических веществ может изменять физико-химические свойства, что ведет к набуханию и отслаиванию от оболочки.

Поэтому выявление и анализ факторов, оказывающих влияние на коррозийное состояние железнодорожных кабелей, разработка организационно-технических мероприятий и внедрение их в практику защиты от коррозии — все это составные части актуальной научно-технической и экономической задачи.

Сотрудниками ОмИИТа (ныне ОмГУПС) и ВНИИЖТа по заданию МПС было проведено обследование состояния кабельных линий, находящихся в эксплуатации.

В табл. 1.1 приведены сведения по типам уложенных кабелей.

Таблица 1.1 Марки кабелей, применяемые на сети дорог.

Марка кабеля Общая длина, км Процент.

1 2 3.

Свинцовая оболочка бронированная.

МКСПАБ 1944 5.

МКСПАК 27 0,07.

МКСБл 848 2,2.

МКСБ 142 0,37.

МКБ 32 0,08.

МКБПМБ 209 0,54.

11родолжение табл. 1.1.

1 2 3.

МКБКМБ 942 2,43.

МКБМБ 27 0,07.

МКПЛМБ 48 0,12.

ТЗБ 46 0,12.

ТЗПАБ 70 0,18.

ТДСБ 488 1,26.

ТЗПАП 147 0,38.

ТЗПКАБ 39 0,10.

ЗКПАБ 194 0,50.

ЗКП 192 0,50.

СМКПВК 198 0,50.

Итого 5593 14,45.

Стальная гофрированная оболочка.

МКССтШп 290 0,75.

МКССт 166 0,43.

Итого 456 1,18.

Алюминиевая оболочка бронированная.

МКБАБ 8587 22,2.

МКБАБл 525 1,36.

МКБАП 246 0,64.

МКС, А Б 380 0,98.

МКПАБ 6780 17,5.

МКПАБл 1694 4,38.

МКПАП 586 1,51.

МКПАПу 250 0,65.

ТЗАБл 49 0,13.

Итого 19 097 49,35.

Окончание табл.1.1.

1 2 3.

Алюминиевая оболочка и шланговое полимерное покрытие.

МАУМ-к 4038 10,43.

МКСПАШп 5138 13,28.

МКСАШп 3279 8,47.

МКБАШп 865 2,24.

ТЗАВБ 228 0,59.

ТЗАШп 7 0,018.

Итого 13 555 35,02.

Всего 38 700 100,00.

Кабели с алюминиевой оболочкой составили 32 650 км, или 84,4%, из них 13 555 км (35%) имеют шланговое покрытиекабели со свинцовой оболочкой составляют 5592 км (14,4%) — со стальной гофрированной оболочкой 456 км (1,2%). Бронированные кабели составляют 28 730 км (74%), не бронированные — 26%, из них 9807 км (25,3%) кабели с алюминиевой оболочкой в шланговом покрытии без брони.

По зонам влияния от электрифицированных железных дорог общая длина кабельных линий, равная 47 715 км, распределяется следующим образом: 17 093 км (35.8° о) в зоне электрической тяги постоянного тока- 20 895 км (43,8%) в зоне электрической гяги переменного тока и вне зоны (автономная тяга) — 6463 км (13,5%) (табл. 1.2).

Таблица 1.2.

Распределение кабеля по зонам влияния электрических железных дорог.

Дорога Длина кабеля, км Находится в зоне тяги постоянного тока переменного тока автономной.

Восточно-Сибирская 4684 928 3756 0.

Свердловская 5594 3308 0 2286.

Горьковская 6176 207 4365 1604.

Дальневосточная 3990 0 2818 1172.

Московская 16 746 13 500 2846 400.

Забайкальская 1373 0 1373 0.

Красноярская 947 0 947 0.

Западно-Сибирская 2345 1179 1166 0.

Южно-Уральская 1139 669 470 0.

Приволжская 786 0 623 163.

Юго-Восточная 784 0 316 468.

Северная 625 0 625 0.

Октябрьская 1396 576 462 358.

Северо-Кавказская 1130 0 1130 0.

ВСЕГО 47 715 17 093 20 895 6463.

Таким образом, свыше 35% кабелей находятся в зоне влияния блуждающих токов электрических железных дорог постоянного тока, или в зоне повышенной коррозионной опасности.

Анализ коррозийного состояния кабельных линий на сети железных дорог позволил установить, что:

1. Около 50% кабельных линий уложены в грунт с высокой и средней коррозионной опасностью в соответствии с ГОСТ 9.602−89;

2. Наиболее частым местом коррозионных повреждений кабельных линий являются соединительные муфты, выполненные методом горячей пайки с применением свинцовых муфт-, а также места стыковки кабелей с оболочками из разнородных металлов;

3. В общем количестве коррозийных повреждений кабелей существенная доля принадлеж-ит коррозии оболочки в местах механических повреждений изолирующих покрытий кабеля;

4. Отсутствуют целенаправленные организационно-технические мероприятия по борьбе с коррозией. Активными средствами защиты защищено не более 1% протяженности кабельных линий. В штатном расписании служб и дистанций отсутствуют специалисты по защите подземных сооружений от коррозии, нет специализированной нормативно-технической документации, хотя в системе МПС утверждены и действуют инструкции и указания [11];

5. Существующие методы и технические средства не позволяют с достаточной точностью определить места повреждений изолирующих покрытий кабеля, особенно в местах, подверженных влиянию электрифицированного транспорта;

6. Общее количество повреждений кабельных линий составляет 0,86 на 100 км длины в год, из них по причине коррозии — 0,477. Среднее время восстановления кабельных линий по устранению одного повреждения составляет около 23 часов. Затраты на устранение одного повреждения с учетом простоя магистрали составляет 3100 рублей в ценах 1998 г.;

Из специфических повреждений имеют место прожоги оболочки кабеля тяговыми токами, что свидетельствует о необходимости изучения защиты как с точки зрения коррозии, так и от опасных и мешающих влияний, и выполнения защитных мероприятий;

7. В целом коррозийное состояние магистральных кабельных линий на сети железных дорог следует квалифицировать как неудовлетворительное.

Подробный анализ состояния магистрального кабеля по дорогам и дистанциям сделан в отчете о научно-исследовательской работе [12].

В табл. 1.3 приведены сведения о повреждениях на кабельных линиях и расчет их на 100 км длины кабеля за год.

Таблица 1.3.

Сведения о повреждениях кабельных линий.

Дорога Длина кабеля Ь, км Повреждения кабельных линий за 5 лет Плотность повреждений на 100 км за год Среднее время устранения 1 повреждения ч общие по причине коррозии, N общая 1"0 по причине коррозии, П1.

1 2 3 4 5 6 7.

ВосточноСибирская 4014 710 392 3,538 1,95 24.

Свердловская 5594 285 196 1,019 0,70 25.

Горьковская 6176 240 169 0,777 0,55 16.

Дальневосточная 3990 133 47 0,667 0,24 И.

Московская 16 746 324 150 0,412 0,19 116.

Забайкальская 1373 31 8 0,45 0,12 2,5.

Красноярская 947 38 0 0,80 0 0.

ЗападноСибирская 2345 66 49 2,73 1,95 40.

Приволжская 786 12 9 0,305 0,23 4.

Юго-Восточная 784 28 17 0,71 0,43 23.

Северная 625 4 3 0,13 0,10 6.

Октябрьская 1396 21 6 0,30 0,086 23.

СевероКавказская 1130 271 162 4,34 2,59 37,2.

ВСЕГО 45 912 2163 1208 0,864 0,477 23.

В табл. 1.4 приведены показатели надежности: плотность повреждений тинтенсивность отказов на 100 км Xвремя наработки на отказ То и коэффициент готовности кабельной магистрали на 100 км К, которые рассчитаны по следующим формулам:

N"100 т 1, 87М'.

8760-m-t Т =-ч о Ш.

8760-т-1 в г — 8760 где Ыколичество поврежденийКколичество лег наблюденияЬ — длина кабельной магистралиI — время восстановления.

Таблица 1.4.

Показатели надежности кабельных линий по сети железных дорог на 100 км.

Дорога Длина кабеля L, км Плотность корр. повр. на 100 км за год, m Среднее время устр. 1 новр. 1 В, Ч Интенсивность отказов X ¦ 106,1/ч Наработка на отказ То • Ю" 3, ч Коэффициент готовности Кг.

1 2 3 4 5 6 7.

ВосточноСибирская 4014 1,95 24 223 4,47 0,99 618.

Свердловская 5594 0,70 25 79,9 12,5 0,99 797.

Горьковская 6176 0,55 16 62,4 16 0,99 899.

Окончание табл. 1.4.

1 2 3 4 5 6 7.

Дальневосточная 3990 0,24 И 269 37 0,99 969.

Московская 16 746 0,19 116 21,7 46 0,99 748.

Забайкальская 1373 0,12 2,5 13,7 73,0 0,999 965.

ЗападноСибирская 2345 1,95 40 222,8 72,2 0,998 445.

Приволжская 786 0,23 4 20,6 48,7 0,999 178.

Юго-Восточная 784 0,43 23 49,1 20,3 0,99 886.

Северная 625 0,10 6 11,0 91,2 0,99 993.

Октябрьская 1396 0,086 23 9,82 102 0,99 977.

СевероКавказская 1130 2,59 37,2 296 3,35 0,9890.

ВСЕГО 44 965 0,499 23,1 56,96 17,55 0,99 913.

Таким образом, на 100 км кабельных магистралей плотность коррозийных повреждений составляет Ш = 0,499 повреждений в годсреднее время устранения одного повреждения 1 =23,1 чинтенсивность отказов В.

X = 57−10″ 6 1/чнаработка на отказ То = 17 550 ч и коэффициент готовности К = 0,9977: 0,99 913. г ' '.

2. ПАРАМЕТРЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ ИЗОЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ КАБЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И СВЯЗИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ коррозионного состояния кабельных линий на сети железных дорог показывает, что существует коррозийная опасность как от постоянного, так и от переменного токов. Постоянный дистанционный контроль сопротивления внешней изоляции, а также точное определение мест повреждения и быстрое их устранение, позволят защитить подземные сооружения (кабели, трубопроводы и т. п.) от коррозийного разрушения.

Исследованы и рассчитаны первичные и волновые параметры алюминиевой оболочки кабеля, а также алюминиевой оболочки и стальной брони кабеля.

1. Расчетом и путем измерения определены соответственные параметры алюминиевой оболочки и стальной брони кабелей в однои двушланговом изолирующем покрытии.

2. Экспериментально исследовано полное переходное сопротивление алюминиевого, стального, свинцового, медного электродов. Исследования показали, что параметры зависят от частоты измеряемого тока, удельного сопротивления, температуры грунта, а также площади повреждения и плотности тока, стекающего (втекающего) с электрода.

3. Рассчитаны изменения напряжения и тока по оболочке кабеля с поврежденным изолирующим покрытием. Расчеты проведены для одиночного кабеля и кабеля, находящегося в пучке:

— динамика изменения модуля и фазы измерительного тока в местах повреждения изолирующего покрытия оболочки кабеля в широких пределах наблюдается в диапазоне частот от 0 до 100 Гц;

— для кабелей, находящихся в одной траншее, взаимные влияния не вносят существенного изменения в параметры напряжения и токов по длине кабеля, для частот не более ?=100 Гц. На более высоких частотах, за счет магнитной и гальванической связей, картина изменения параметров напряжения и токов существенно отличается от распределения токов и напряжений одиночного кабеля.

Анализ изменения параметров напряжения и токов создает основу для проектирования устройств определения мест повреждения изоляции оболочки (жилы, брони) кабеля.

4. Определены распределения напряженности магнитного поля и потенциала на поверхности земли от кабеля с поврежденным изолирующим покрытием, которые позволяют выбирать параметры (модуль, фазу), амплитуду и частоту измерительного сигнала:

— расчеты показали, что частоты поиска повреждений изолирующих покрытий оболочки кабелей находятся в диапазоне частот от 0 до 100 Гц, а трассы кабеля до Г = 1000 Гц.

5. Измерены спектральная плотность составляющих поля помех и ее корреляционная функция при электрической тяге постоянного и переменного токов в нормальном и шунтовом режимах рельсовой линии. Исследования показали, что большой зфовень помех сосредоточен на частотах 25, 50 Гц и кратным им, причем в шунтовом режиме работы рельсовой цепи линии уровень значительно выше. Корреляционная функция поля помех в нормальном режиме носит падающий характер, в отличие от корреляционной функции в шунтовом режиме работы рельсовой линии, из-за наличия регулярной составляющей поля помех;

— минимальные значения гармонических составляющих поля помех приходятся на частоты 8,17, 23, 35, 43, 85, 110, 993 Гц;

— основными источниками гальванической и магнитной составляющих поля помех является тяговая сеть и ЭПС;

— мгновенные значения ноля помех имеют нормальный закон распределения или близкий к нему.

6. По полученным результатам осуществлен выбор основных параметров технических средств и составлены необходимые схемы. Разработана и изготовлена система дистанционного контроля величины сопротивления изоляции оболочки кабеля, аппаратура определения мест повреждения изолирующего шлангового покрытия для электротяги постоянного и переменного токов.

Совместное использование разработанного оборудования позволяет наиболее быстро, с минимальными эксплуатационными затратами устранять повреждения или понижения величины сопротивления изоляции кабеля на участке.

7. Экономический эффект за период до 1-ой модернизации (6 лет) в ценах 1998 года на экспериментальный участок составил:

— система дистанционного контроля сопротивления изоляции — 181 800 рублей в ценах 1998 года;

— аппаратура поиска мест повреждения — 151 148 рублей в ценах 1998 года.