3283

По окружности опоры можно выделить две зоны – с растянутой арматурой и со сжатой. Основную нагрузку несет растянутая арматура, расположенная с полевой стороны опоры.

3. Неравномерность коррозии в поперечных сечениях опоры на разных глубинах залегания. Коррозия арматуры опоры происходит также неравномерно по длине опоры. Наиболее сильной коррозии подвержена арматура подземной части опоры. На разной глубине интенсивность коррозии различна. Опыт эксплуатации опор показывает, что наиболее сильны коррозионные повреждения на глубине 0,2…0,6 м. Это обусловлено рядом причин.

С ростом глубины определенным образом изменяется увлажненность и проводимость грунта. Верхняя часть грунта до глубины 0,1…0,2 м представляет собой подсыпку щебня. В сухую погоду этот слой имеет сравнительно низкую проводимость и коррозия арматуры здесь мала.

Существенную роль играют так называемые уносы с подвижного состава – угольная и тормозная пыль, а также топочные уносы паровозов. В связи с тем, что раньше применялась паровозная тяга, залегающий сейчас на глубине 0,2 … 0,8 м слой грунта имеет характерный темный цвет. На этой глубине грунт, как правило, имеет наибольшую проводимость, и здесь наблюдается повышенная коррозия арматуры. Подобный эффект повышенной коррозии вызывается также и солями удобрений, попадающих в грунт, в том числе и при перевозке.

Изменение интенсивности коррозии по окружности опоры на уровне одного сечения незначительно.

По протяженности опоры существенно изменяется разность потенциалов грунта и арматуры. Рассмотрим горизонтальную плоскость, расположенную на некоторой глубине залегания. Возможны два крайних случая: а) опора изолирована от рельса, искровой промежуток исправен; б) опора подключена к рельсу, искровой промежуток пробит. Схематично оба случая представлены на рис. 3.

Искровой промежуток ИП-3 предназначен для защиты арматуры фундаментов опор контактной сети от протекания по ним блуждающих токов, а также для пропуска тока в рельсовую цепь при пробое изоляции контактной сети или ВЛ продольного электроснабжения, проходящей по опоре КС. Пробивное напряжение 0,8…1,2 кВ.

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что потенциал грунта убывает по экспоненте от заземленного электрода. При незаземленной опоре потенциал грунта со стороны пути будет выше, а со стороны поля ниже, чем потенциал арматуры. В результате такого распределения потенциалов произойдет втекание блуждающего тока в опору со стороны пути и его стекание со стороны поля.

Со стороны поля возникают наиболее благоприятные условия для электрокоррозии. Степень влияния блуждающих токов на коррозию определяется крутизной экспоненты потенциалов, которая, в свою очередь, зависит от свойств грунта. Поперечные размеры опоры при средней крутизне кривой потенциалов недостаточно

21

велики для интенсивной коррозии, но пассивация арматуры будет нарушена. Известно, что однажды активированная арматура не перестает корродировать никогда, даже после прекращения стекания тока.

Рис. 3. Схемы возможных случаев распределения потенциалов в горизонтальной плоскости:

а– опора изолирована от рельса, искровой промежуток исправен; б – опора подключена

крельсу, искровой промежуток не исправен

Если арматура опоры оказывается подсоединенной к рельсу, то возникает наиболее неблагоприятный случай. По принципу суперпозиций потенциалы между опорой и рельсом складываются. Это приводит к существенному изменению разности потенциалов между арматурой и почвой. Со стороны поля потенциал убывает быстрее. Следовательно, там возрастает величина стекающего тока, и интенсивность коррозии увеличивается.

Потенциал меняется и по глубине грунта. На рис. 4 представлена схема изменения потенциала по глубине.

Убывание потенциала происходит также по экспоненте. Наиболее интенсивной коррозии подвержена арматура опоры у ее основания. Так, осмотр демонтированных опор, простоявших длительное время, показывает, что 5…10 см арматуры в торцевой части опоры полностью прокорродировало. Коррозия на глубине 3…4 м не представляет большой опасности с точки зрения потери несущей способности опоры, но может неблагоприятно сказаться на ее устойчивости.

Прочность опоры неравномерна по ее длине. Так, в результате нарушений технологии изготовления толщина защитного слоя бетона у опор одного и того же типа неодинакова. Исследования показали, что при норме 20 мм толщина защитного слоя изменяется по закону нормального распределения с параметрами центра 21,7 мм и

22

рассеянием 5,49 мм. Примерное распределение защитного слоя бетона у однотипных опор представлено на рис. 5.

Рис. 4. Схема распределения потенциала по глубине

Свойства грунта как в горизонтальной плоскости, так и по глубине залегания могут иметь большой разброс.

Результаты исследования прокорродировавших опор показывают, что коррозия происходит по протяженности подземной части опоры неравномерно, поэтому и прочность такой опоры неравномерна.

Рис. 5. Распределение толщины защитного слоя бетона у однотипных опор

23

Все рассмотренные выше факторы свидетельствуют о том, что опора должна рассматриваться как пространственная протяженная модель. Модель опоры как объекта диагностики будет иметь вид:

Z = Ψ(M, x, y, z, A, B, t),

где Z – выходные функция или отклики объекта диагностики; Ψ – система передаточных функций; M – моменты внешних сил; x, y, z – пространственные координаты; A и B – параметры арматуры и бетона; t – время.

Поскольку объект исследования пространственный, то средства диагностики его состояния должны иметь возможность не только определять степень коррозии арматуры, но также и место и размеры коррозионных повреждений. Опыт эксплуатации опор показывает, что наибольший интерес с точки зрения диагностики состояния железобетонных опор представляют исследования коррозии арматуры в подземной части опоры на глубине 0,3…0,6 м с полевой стороны.

На практике применяются прямые и косвенные методы диагностики состояния опор контактной сети.

Прямое диагностирование состояния железобетонных опор контактной сети производится в соответствии с ГОСТ 19330-91 «Стойки железобетонные для опор контактной сети железных дорог» и НБ ЖТ ЦЭ 067-2003 «Поддерживающие конструкции элементов контактной сети. Нормы безопасности». При помощи визуальной и инструментальной диагностики проверяют геометрические показатели, качество наружной поверхности, качество внутренней поверхности, прочность на изгиб, трещиностойкость, жесткость, электрическое сопротивлениемеждуарматуройизакладными деталями.

Для косвенной диагностики состояния опор и фундаментов контактной сети используют приборы контроля сопротивления и потенциала арматуры. По сопротивлению арматуры судят о степени ее коррозии. Для этого используются приборы ПК-1М.

Другим способом косвенной диагностики состояния опор является определение целостности бетона. Метод основан на измерениях скорости распространения ультразвука в приповерхностном слое бетона опоры в продольном и поперечном направлениях. Для этого используется ультразвуковой тестер УК1401М.

Использование приборов ПК-1М и УК1401М позволяет быстро и качественно провести комплексное обследование степени опасности электрокоррозии арматуры и состояние бетона опор и фундаментов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог / А.В. Ефимов, А.Г. Галкин. – М.: УМК МПС России, 2000. – С. 362–370.

2.ГОСТ19330-91. Стойкижелезобетонныедляопорконтактнойсетижелезныхдорог.

3.Поддерживающие конструкции элементов контактной сети. Нормы безопасности.

НБЖТ ЦЭ 067-2003.

24

МЕТОДЫ И ПРОГРАММЫ ПОИСКА ОТКАЗОВ В ОБЪЕКТАХ СЭЖТ

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6

Контроль технического состояния объектов СЭЖТ (2 часа)

Цель работы: изучить основные понятия и методы контроля работоспособности СЭЖТ.

УСЛОВИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ

Область работоспособности (ОР). Система электроснабжения ЖТ состоит из конечного числа элементов, и соответственно в ней может возникнуть конечное число дефектов. Разделение множества состояний на подмножества работоспособных и неработоспособных определяет условие работоспособности, т. е. условие, при выполнении которого СЭЖТ может выполнять возложенные на него функции.

Следует отметить, что понятие работоспособность содержит некоторую неопределенность, связанную с тем, что между абсолютной работоспособностью элемента ЭУ, когда все диагностические признаки имеют номинальное значение, и абсолютной неработоспособностью, когда ЭО совершенно не способно работать (пробой изоляции, обрыв проводов, их замыкание на землю), лежит конечное число промежуточных состояний, при которых ЭУ способна выполнять некоторую работу, но с пониженной производительностью или с ухудшением качества.

Не всегда очевидна граница между работоспособным и неработоспособным состояниями. Не ясно также, при каких значениях диагностических признаков элементов ЭУ должна считаться неработоспособной и подвергаться восстановлению. Превышение допустимых значений напряжения приводит к снижению надежности работы электроустановок. Повышение тока нагрузки приводит к чрезмерному перегреву всех аппаратов, кабелей, обмоток силовых трансформаторов и электрических машин, включенных в эту электрическую цепь. В результате перегрева электрооборудования возможен пробой изоляции с последующим замыканием токоведущих частей между собой или на землю.

В общем случае объект может находиться в конечном множестве состояний:

S = (s1, ..., sj, ..., sp).

Каждому состоянию соответствует определенное значение какого-либо диагностического признака (рис. 1):

Е = (ζ1, …, ζi, …, ζj).

25

В связи с тем, что в качестве диагностических могут использоваться параметры и характеристики, рассмотрим способы задания условий работоспособности для них.

Условия работоспособности на параметры. Наиболее часто используемые для контроля работоспособности электроустановок (ЭУ) параметры приведены в табл. 1.

Кроме того, в качестве параметров могут использоваться: индуктивность и резонансная частота обмоток силовых трансформаторов и электрических машин, потенциалы, сопротивление изоляции элементов ЭУ, уровень напряженности электромагнитного поля, интенсивность частичных разрядов.

Таблица 1

Условия работоспособности по одному параметру непрерывных объектов задаются неравенствами, которые ограничивают его значения с одной или двух сторон:

ζi > ζiн

(например, Rи > 300 МОм, сопротивление изоляции более 300 МОм, измеренное при температуре 18 … 20 °С);

ζi < ζiв

(например, tg δ < 2,5 %, тангенс угла диэлектрических потерь меньше 2,5 %),

где ζi – текущее значение, ζiн – наименьшее, ζiв – наибольшее допустимое значение диагностических параметров.

В большинстве случаев на диагностические параметры задаются двухсторонние ограничения вида:

ζiн < ζi < ζiв

(например, Iн< I < 1,25Iн – ток нагрузки трансформатора).

27

Если состояние ЭУ определяется несколькими диагностическими параметрами, т. е. Е = (ζ1, …, ζi, …, ζj), то задачу контроля работоспособности сводят к проверке рассмотренных неравенств для каждого признака. Если хотя бы одно из неравенств не выполняется, то объект признается неработоспособным. Примером может служить синхронный двигатель, состояние которого определяется частотой вращения ω, частотой вибрации f, током утечки Iут.

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ СЭЖТ

Если в качестве диагностического параметра используется характеристика, то оценить состояние элементов ЭУ можно или по нескольким показателям характеристики, или по отклонению текущей характеристики объекта y = f(x) от номинальной y = φ(x), где x и y – соответственно входная и выходная переменные. При этом необходимо установить количественный критерий, который позволял бы оценивать сходство и различие этих характеристик. Существует несколько таких критериев:

1) Критерий среднего отклонения:

ρ1(f, φ) = [f(x) – φ(x)]dx.

Рис. 2. Номинальная φ(x) и текущая f(x) характеристики

2) Критерий среднеквадратичного отклонения:

ρ2(f, φ) = b∫[f(x) − ϕ(x)]2 dx .

a

Этот критерий более чувствителен к величине отклонения, чем к длительности интервала, накоторомоцениваетсяотклонение. Оннаиболее частоиспользуетсянапрактике.

28

3) Критерий равномерного приближения:

ρ3(f, φ) = max [f(x) – φ(x)]dx;

а≤ х ≤ b.

Вэтом случае критерием близости является максимальное отклонение на интервале [a, b]. Если максимальное отклонение мало, то на всем интервале определения функции будут мало отличаться друг от друга.

Условие работоспособности будет выглядеть в виде неравенства:

ρр(f, φ) ≤ ε,

где ε – допустимое отклонение; р = 1, 2, 3 – вид критерия.

Допустимые отклонения на всю характеристику, представленную на рис. 2, могут задаваться в виде «маски» (рис. 3).

Рис. 3. «Маска»

В случае, если характеристика оценивается по точкам, то задается область допустимых отклонений для ограниченной совокупности точек на рабочем участке характеристики х ϶ [a, b].

Рис. 4. Определение запаса работоспособности

29

Условия работоспособности задаются для каждой точки в виде неравенства

[f(x) – φ(x)] < εi, i = 1…n.

Если неравенства справедливы для всей совокупности рассматриваемых точек характеристики, то объект признается работоспособным.

ПЕРИОДИЧНОСТЬ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СЭЖТ

Для обоснования периодичности контроля технического состояния необходимо знать данные о параметре потока отказов каждого типа объектов СЭЖТ, время и условия эксплуатации. Выбор периодичности контроля работоспособности для СЭЖТ представляют сложную и трудоемкую задачу.

С точки зрения теории надежности объектов трансформаторы, коммутационные аппараты, ячейки КРУН, распределительные устройства, воздушные линии можно рассматривать как схему последовательно соединенных элементов.

Допустим, что поток отказов оборудования и объектов является простейшим, удовлетворяющим условиям стационарности, отказы – события случайные и независимые. Тогда вероятность безотказной работы системы из n объектов будет равна произведению вероятностей безотказной работы его элементов:

где Pi(t) – вероятность безотказной работы i-го элемента; n – число элементов системы. В случае экспоненциального закона распределения отказов объектов системы:

i =1

ωi – параметр потока отказов объекта системы.

В формулах для определения вероятности безотказной работы время t можно принять как период контроля работоспособности системы t = Tк (лет).

Тогда надежность для системы на промежутке времени Тк определяется выражением:

30