Надежность устройств электроснабжения
УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ (ЭС) состоят из двух достаточно сложных подсистем -тяговых подстанций и контактной сети, включающих большое количество оборудования, аппаратов, деталей, проводов, изделий, от нормального функционирования которых зависит работоспособность как подсистемы, так и системы в целом.
Общие сведения
Надежность тяговой подстанции — свойство обеспечивать в расчетных режимах преобразование электрической энергии и питание контактной сети с отклонениями по уровню напряжения в пределах установленных норм.
Надежность контактной сети — свойство обеспечивать передачу электроэнергии от тяговых подстанций к электроподвижному составу и нормальный токосъем при расчетных скоростях движения и любых атмосферных условиях (кроме стихийных бедствий) с минимальным износом контактных проводов и накладок токоприемника.
Классификация
По критериям надежности устройства ЭС делят на две разновидности. Первая — устройства, не имеющие резерва, — контактная сеть, сглаживающие устройства тяговых подстанций, посты секционирования, пункты параллельного питания, системы телеуправления и дистанционного управления, аккумуляторные батареи, устройства компенсации реактивной мощности. Вторая — устройства, имеющие резерв,- оборудование тяговых подстанций, питающие линии контактной сети и т. п.
По характеру работы устройства ЭС делят на постоянно работающие (контактная сеть и силовое электрооборудование тяговых подстанций), дежурные (устройства защиты, телеуправления, сигнализации) и запасные (оборудование тяговых подстанций, находящееся в резерве).
Полные отказы
К полным отказам устройств ЭС относят следующие незапланированные события. Для тяговых подстанций — события, вызывающие прекращение питания контактной сети или других подключенных к ней тяговых потребителей хотя бы по одной из питающих линий (фидеров), а также вынужденный переход на резервные устройства. Для контактной сети -невозможность пропуска электроподвижного состава или необходимость движения на выбеге с опущенным токоприемником по любому из электрифицированных путей. Для постов секционирования и пунктов параллельного соединения — отключение хотя бы одной питающей линии поста или отключение пункта. Для устройств телемеханики — невозможность телеуправления любым из управляемых объектов или получения от указанных объектов ответной телесигнализации. К полным отказам относят также такие повреждения, при которых потребовался бы немедленный выезд на место оперативного или ремонтного персонала для восстановления нормального функционирования устройства.
Повреждения контактной сети связаны с недостатками, допущенными при ее проектировании и монтаже, дефектами конструкций, узлов и деталей, низким качеством материалов, условиями погоды, неудовлетворительным содержанием, неправильными действиями персонала, вандализмом, с неисправностями токоприемников и короткими замыканиями на электроподвижном составе, с прочими причинами (сходы с рельсов, развал грузов, стихийные бедствия и т. п.). Доля повреждений по причинам, не зависящим от надежности контактной сети, превышает 40-45 % их общего количества. Практически половина повреждений вызвана неисправностями электроподвижного состава или ошибочными действиями машинистов.
Основные повреждения контактной сети
Основными повреждениями контактной сети являются: обрывы контактных проводов, повреждения изоляторов, консолей фиксаторов и опор. Наиболее характерные повреждения контактной сети связаны с поджатием (подъемом) проводов токоприемниками и ударами по стержню фиксаторов или захватами отходящих ветвей контактной подвески. Частыми повреждениями являются опрокидывания (раскрытие) фиксаторов. Захваты проводов полозом токоприемника происходят в связи с перемещением контактных проводов за рабочую часть полоза токоприемника. Тяжелые последствия возникают из-за повреждений при гололеде. Это могут быть пережоги и поджоги проводов (электрической дугой), а также разрушения узлов, конструкций, опор, обрывы проводов вследствие повышения механических нагрузок, особенно при гололеде с ветром. На открытых местах и насыпях могут возникать автоколебания (пляски) проводов контактной сети, при которых невозможен проход токоприемника и могут быть повреждены струны и изоляторы. Особое место занимают пережоги контактного провода над токоприемником вследствие плохого контакта, неудовлетворительного состояния поверхностей касания (загрязнения) и слабого нажатия токоприемника, превышения времени и значения тока, износа контактного провода и его слабого натяжения. Пережоги часто возникают при подъеме и опускании токоприемника под током, в местах секционирования контактной сети, из-за шунтирования полозом изолирующих сопряжений и секционных изоляторов, в местах установки токоведущих зажимов вследствие увеличения сопротивления при окислении и деформации. Так как опоры контактной сети в основном железобетонные, то одной из наиболее сложных проблем надежности контактной сети является повреждение бетона и стали опор и фундаментов от химической (атмосферной и почвенной) и электрической коррозии. Особенно опасна коррозия фундаментных частей опор, так как отсутствуют методы контроля их состояния. По этому виду повреждений бракуется до 63 % всех опор.
Повреждения тяговых подстанций связаны с выходом из строя высоковольтных выключателей, силовых трансформаторов, полупроводниковых выпрямителей, релейной защиты и устройств управления вследствие перенапряжений, токов коротких замыканий и неправильных действий эксплуатационного персонала. Так как основное электрооборудование подстанций резервируется, то продолжительность перерывов в движении поездов из-за повреждений на подстанциях составляет около 3 % общего числа задержек, вызванных неисправностью устройств ЭС.
Изоляторы контактной сети
Для обеспечения нормальной работы контактной сети разрабатывают новые изоляторы, в том числе полимерные для замены фарфоровых и стеклянных. Новые изоляторы должны обеспечивать долговечность не менее 20 лет, стойкость к атмосферным загрязнениям всех видов (в том числе химическими удобрениями), простоту очистки, высокую механическую прочность при растяжении и изгибе, вибростойкость, меньшую массу, высокую дугостойкость и триингостойкость (по отношению к токам утечки).
Предотвращение обледенения контактной сети и токоприемников осуществляют тремя методами: химическим (нанесение на провода специальных антиобледенительных покрытий), механическим (удаление льда обивкой, вибрацией или скалыванием), электрическим (нагрев проводов током). Способы снижения колебаний контактной сети делят на три группы: изменение собственных частот на смежных пролетах, применение ромбовидной подвески и удерживающих конструкций для снижения амплитуды колебаний, использование устройств поглощения энергии колебаний (гасители колебаний и грузы, демпферы).
Защита от пережогов контактных проводов
Защита от пережогов контактных проводов весьма разнообразна. В местах трогания предусматривают параллельные соединения контактных проводов не менее двух путей, более частые установки электрических соединителей между контактным и несущим проводами. Для защиты изолирующих сопряжений увеличивают расстояния между ветвями проводов, применяют защитные экраны, шунты и накладки на контактные провода. Для предотвращения пережогов проводов в токоведущих зажимах наиболее эффективны безболтовые соединения, осуществляемые сваркой методом взрыва, термитным способом, аргоновой или электродуговой сваркой, методом опрессовки. Нагрев зажимов целесообразно контролировать дистанционно.
Проблема коррозии опор и фундаментов контактной сети стала особенно актуальной, когда в целях экономии металла перешли на железобетонные опоры конической формы, изготовленные методом центрифугирования, имеющие небольшой защитный слой бетона и более тонкую (4-5 мм) арматуру. При коррозии и потере механической прочности отдельных струн арматуры зачастую происходит хрупкий (мгновенный) излом. Поэтому целесообразен переход на смешанное армирование, с дополнительным ненапряженным армированием, переход к цилиндрической форме опор и применению металлических опор с антикоррозийным покрытием. Необходима окраска металлических жестких поперечин и опор защитным пенетрирующим составом, эффективно применение полимерных порошковых покрытий. Для контроля коррозии металлических конструкций удобны ультразвуковые толщиномеры.
Предотвращение электрической коррозии фундаментных частей опор, особенно сильной в устойчивых анодных зонах на участках постоянного тока, возможно путем исключения появления потенциала рельсов на арматуре железобетона. Для этого используют защиту от токов коротких замыканий без прямого электрического соединения деталей опор с рельсом, а именно: искровые промежутки и полупроводниковые приборы, изоляцию всех деталей, соединяемых с рельсом, от опоры. Опасность коррозии снижают увеличением сопротивления цепи рельс — опора — земля с искусственным понижением потенциала рельса относительно земли, применением катодной защиты, дренажей, протекторов и других устройств. Следует переходить от опор со стаканными фундаментами к нераздельным опорам, разрабатывать опоры открытого профиля (двутавровые или лучевые), использовать изоляционные или полимерные покрытия, создавать и применять новые материалы на базе полимеров или полимербетонов. Кардинальным решением должен стать переход на стальные опоры широкого двутавра с антикоррозийным покрытием, опоры из легированной стали и легких сплавов или высокопрочных полимерных материалов с монолитными водонепроницаемыми частями закрепления опор в грунт.
Повышение надежности тяговых подстанций
Повышение надежности тяговых подстанций достигают главным образом повышением работоспособности электрооборудования в режимах отключения токов короткого замыкания, ограничением атмосферных и коммутационных перенапряжений в режимах рабочих перегрузок. Большинство быстродействующих выключателей питающих линий постоянного тока работает на пределе разрывной мощности. Более надежными являются работа двух последовательных выключателей, применение лабиринтных дугогасительных камер. Требуется разработка средств диагностирования состояния контактов и дугогасительной камеры, а также методики оценки остаточного ресурса. Наибольший эффект дает переход к бесконтактным коммуникационным аппаратам и использование на подстанциях постоянного тока управляемых выпрямителей для бесконтактного отключения. Повышение надежности тяговых подстанций переменного тока может быть получено заменой масляных выключателей на выключатели с вакуумными камерами. Повышают эффективность защиты изоляции подстанций и постов секционирования посредством новых разрядников, включенных последовательно с предохранителями и установленных в наиболее опасных местах тяговой сети. Полупроводниковые выпрямительные и инверторные агрегаты тяговых подстанций обладают повышенной чувствительностью к токам коротких замыканий и уровням перенапряжений. Поэтому основными мерами повышения надежности являются замена полупроводниковых приборов с паяными контактами; строгое нормирование перегрузок; применение обоснованных запасов, эффективных защит и разумного резервирования. Важно применение устройств тестового и рабочего диагностирования агрегатов. Надежность подстанций повышают также заменой многозвенных фильтров на апериодические одно- и двухзвенные, применением реакторов со стальными сердечниками, переходом на конденсаторы с негорючим заполнением. Переход от 6-пульсных к 12-пульсным выпрямителям помимо энергетической эффективности уменьшает мощность сглаживающих устройств.
Оценивать системную надежность необходимо по числу повреждений, отнесенному к определенному измерителю, то есть по удельному числу повреждений. За определенный период времени это соответствует параметру потока отказов. Кроме того, число повреждений контактной сети можно определить на ее развернутую длину, на число проходов токоприемников, на анкерный участок или на удельное электропотребление, число отключений фидеров контактной сети. По тяговым подстанциям — число повреждений на одну подстанцию, на количество преобразованной электроэнергии и т. д. Объективный показатель должен давать оценку бесперебойности движения поездов, то есть работоспособности системы в целом. Наиболее широко распространены измерители: для контактной сети на 100 км развернутой длины, для подстанций — одна подстанция. Однако эти измерители не бесспорны.
Наиболее слабым звеном системы электроснабжения является контактная сеть. Согласно статистике, здесь наиболее характерными повреждениями являются, пережоги и обрывы контактного провода — 18,5 %, пробои и перекрытия изоляторов — 19,3 %; повреждения фиксаторных узлов — 4,8 %; повреждения опор, консолей, кронштейнов — 12,2 %; прочие повреждения — 44,2 %. Удельная повреждаемость устройств ЭС по сети за 1985—1989 гг. составила, контактной сети — 2,16 повреждений на 100 км развернутой длины; устройств защиты, телеуправления и сигнализации с задержкой поездов — 2,75 повреждений на 100 км развернутой длины; тяговых подстанций — 0,25 повреждений на одну подстанцию. Эти показатели подчеркивают важную роль ЭС в обеспечении безопасности и бесперебойности движения поездов.
Большинство повреждений контактных проводов, изоляторов и фиксирующих устройств восстанавливают за 90-150 мин. Отдельные случаи длительной ликвидации повреждений (более 5-6 ч) относят к случаям сходов подвижного состава и снежных заносов.