Модернизация устройств контактной сети участка железной дороги "Негорелое - Городея" для скоростного движения

дипломная работа

1.1 Оценка надежности элементов системы электроснабжения

Система тягового электроснабжения (СТЭ) состоит из двух последовательных достаточно сложных подсистем - тяговых подстанций (ТП) и контактной сети (КС), содержащих большое количество оборудования, аппаратов, деталей, проводов и изделий, от нормального функционирования которых зависит работоспособность как подсистемы, так и системы в целом. При условии соблюдения правил, технических условий и требований других нормативных документов по эксплуатации, ревизии и ремонту, не допускающих наличия элементов, износ которых выше допустимого и размеры которых вышли за пределы допустимых норм, можно сформулировать следующие понятия надежности:

- надежность тяговой подстанции - свойство обеспечивать в расчетных режимах преобразование электрической энергии и питание контактной сети с отклонениями по напряжению 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;

- надежность системы электроснабжения - суммарное понятие, включающее в себя как надежность тяговых подстанций, так и надежность контактной сети.

В системе электроснабжения по критериям надежности различают:

- устройства, не имеющие резерва, повреждения на которых, как правило, приводят к нарушению (прекращению или ограничению) в движении подвижных единиц. К этой группе относятся контактная сеть и сглаживающие устройства тяговых подстанций постоянного тока;

- устройства, не имеющие резерва, повреждения на которых требуют изменения условий эксплуатации или снижают общую надежность, - посты секционирования, пункты параллельного соединения, системы теле- и дистанционного управления, аккумуляторные батареи, компенсирующие устройства;

- устройства, имеющие резерв, повреждения на которых, как правило, не вызывают нарушения движения, - оборудование тяговых подстанций, питающие фидеры контактной сети и т. п.

В ряде случаев повреждения в устройствах, относящихся к первой группе, могут не повлиять на движение подвижных единиц (отгорание шлейфа без касания заземленных частей, повреждения фиксаторов на прямом участке пути и т. д.); в то же время отдельные повреждения в устройствах второй и третьей групп иногда могут вызвать нарушение движения (короткое замыкание на выключателях фидеров, ложное отключение при неисправности системы телеуправления и т. п.) [8].

Можно считать, что тяговые подстанции практически имеют 100%-ное резервирование, а контактная сеть не имеет резерва. Это обусловливает необходимость повышения надежности всех ее элементов и при возможности дублирования отдельных узлов, в первую очередь - токоведущих зажимов. Резервирование характерно тем, что оно позволяет повысить надежность системы по сравнению с надежностью составляющих ее элементов. Повышение надежности отдельно взятых элементов требует больших материальных затрат. В этих условиях резервирование, например, за счет введения дополнительных элементов является эффективным средством обеспечения требуемой надежности систем [6].

Контактная сеть и тяговые подстанции - восстанавливаемые системы, и после повреждения должны быть приведены в состояние, обеспечивающее их нормальное функционирование. Особенностью контактной сети является непрерывность ее нормального функционирования на всем протяжении электрифицированного участка.

Причины, вызвавшие повреждения, могут быть внезапными (пережог провода при коротком замыкании, перекрытие изоляторов при грозовых перенапряжениях и т. п.) и постепенными (износ контактного провода, ухудшение диэлектрических свойств трансформаторного масла, старение полимерных материалов, загрязнение изоляторов и т. д.). Возможны также случаи длительного или временного понижения надежности, которые не вызывают нарушения движения, но уменьшают коэффициент запаса [7].

Постепенное понижение надежности (повреждение одного из изоляторов в гирлянде, неисправность одного из фидерных выключателей при наличии резервного и т. п.) вызывает необходимость вмешательства ремонтного персонала, для того чтобы оно не развилось в повреждение. Этот персонал выполняет работы в возможный по условиям движения промежуток времени. Временное понижение надежности (незначительное увлажнение трансформаторного масла, ликвидируемое силикагелевым фильтром, временный повышенный нагрев электрооборудования и т. п.) является самовосстанавливающимся и вмешательства обслуживающего персонала не требует.

По характеру работы устройства электроснабжения могут быть разбиты также на три группы:

а) постоянно работающие - контактная сеть и силовое оборудование тяговых подстанций;

б) дежурные - устройства защиты, телеуправления, управления оборудованием тяговых подстанций и сигнализация;

в) запасные - оборудование тяговых подстанций, находящееся в резерве.

Дежурные устройства находятся в режиме ожидания и должны быть готовы в любой момент к выполнению своих функций. Запасные устройства также должны быть готовы в любой момент заменить работающие [8].

Элементная надежность может быть определена при полевых или лабораторных испытаниях натуральных образцов или моделей с искусственно создаваемыми режимами нагрузок и внешними условиями. Оценив элементную надежность, можно определить сроки службы, износоустойчивость, установить необходимую периодичность ремонтов и наметить пути дальнейшего совершенствования конструкции. С точки зрения бесперебойной эксплуатации электрифицированных линий задача формулируется однозначно - путем повышения надежности всех элементов (в пределах установленных межремонтных сроков), резервирования, автоматизации и других мер должна быть обеспечена при всех условиях и всеми возможными способами жизнеспособность системы электроснабжения в целом.

Чтобы оценить надежность системы электроснабжения и разработать мероприятия по ее повышению, необходимо учитывать и анализировать все повреждения независимо от того, привели они к нарушению движения подвижных единиц или нет. Рассматривать только повреждения, повлиявшие на движение (т. е. вызвавшие отказы), неправильно, так как это не позволит дать объективную оценку надежности. Как показывает опыт эксплуатации, одно и то же по характеру и по причинам возникновения повреждение в зависимости от конкретных условий может по-разному отразиться на движении подвижных единиц.

К числу повреждений не относятся плановые работы по ревизиям, регулировке, замене нормально изношенных элементов и т. п., работы, выполняемые в «окна», с прекращением движения, а также прекращение питания контактной сети на время срабатывания защиты или устройств автоматики и оперативных переключений. В дальнейшем, как наиболее привычный, применяется только термин повреждение.

Оценивать системную надежность необходимо по числу повреждений, отнесенному к определенному измерителю (удельное число повреждений); за определенный период времени это соответствует понятию параметр потока отказов.

Параметр потока отказов многоэлементной системы, какой является система электроснабжения, в течение времени ее работы распределяется следующим образом (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Распределение потока отказов л во времени

В период приработки (зона I) наблюдается повышенное число отказов, обусловленных дефектами материалов, оборудования, недостатками монтажа и другими причинами (приработочные отказы).

Период нормальной работы (зона II) характеризуется наименьшим и приблизительно постоянным числом отказов. В период нормальной эксплуатации на объект воздействуют случайные факторы, которые вызывают внезапные отказы, интенсивность которых в данный период не зависит от времени.

В период старения и износа (зона III) число отказов возрастает; это вызывается износом деталей, старением и усталостью, особенно изоляционных и полимерных материалов, коррозией, загрязнением и другими подобными причинами (кривая I). В этот период в основном имеют место постепенные отказы, возникающие вследствие накопления ухудшений физико-химических свойств объекта.

Для основных элементов системы электроснабжения период приработки длится 3-5 лет. Процессы старения и износа проявляются для трансформаторов и контактной сети - через 20-30 лет после ввода в эксплуатацию (в первую очередь за счет старения изоляции). Старение и износ коммутационной аппаратуры наступает через 40-50 лет. Обычно эта аппаратура морально устаревает раньше, нежели физически. В основном элементы СЭС высоконадежны. Время их безотказной работы значительно превышает время восстановления [1].

Своевременная замена изношенных или потерявших свои качественные и прочностные характеристики аппаратов, узлов, проводов и других изделий, выполнение в установленные сроки ремонтных работ при высоком качестве и соблюдение правил эксплуатации исключают переход в зону III и обеспечивают нормальную работу устройств независимо от срока службы системы (кривая 2). Модернизация, внедрение в процессе эксплуатации элементов новой техники, более стойких и долговечных материалов приводят к повышению надежности и снижению отказов в зонах II и III (кривая 3).

Улучшение контроля за выполнением строительно-монтажных работ, повышение качества материалов и оборудования, более тщательная проверка устройств при вводе в эксплуатацию приводят к уменьшению числа повреждений и в зоне I (кривая 4). По мере совершенствования устройств электрической тяги для каждой последующей электрифицированной линии кривая л(t) в зонах II и III должна располагаться ниже, чем для участков, находящихся в эксплуатации.

Необходимо, чтобы для всех элементов тяговых подстанций и контактной сети время работы без повреждений было больше межремонтного периода, среднее время восстановления было минимальным, межремонтные периоды и сроки службы систематически возрастали [2].

Как показал анализ, при вводе в эксплуатацию новых электрифицированных участков в течение периода приработки может в целом по сети железных дорог несколько увеличиться общее и удельное количество повреждений.

Параметр потока отказов контактной сети или подстанции в период нормальной работы (зона II) является суммой параметров потока отказов отдельных укрупненных узлов, т. е. лсист = Улузл.

Выдвигался ряд предложений по выбору показателя надежности: по контактной сети - число повреждений на развернутую длину, на число проходов токоприемников, на анкерный участок или на удельное электропотребление; по тяговым подстанциям - число повреждений на одну подстанцию, на количество преобразованной электроэнергии и т. п.

Объективный показатель надежности контактной сети должен быть в первую очередь увязан с главным требованием, предъявляемым к транспорту, - обеспечение бесперебойности движения подвижных единиц, т. е. он должен давать оценку работоспособности системы в целом. По мнению большинства специалистов, наиболее целесообразно принять за измеритель для контактной сети 100 км развернутой длины, а для подстанций - одну подстанцию. Этот показатель как в целом для контактной сети или тяговой подстанции, так и для их основных узлов может служить основой для всесторонней оценки надежности и разработки мероприятий по совершенствованию системы электроснабжения. При этом измерителе по сравнению с другими значительно упрощается обработка статистических данных и становится наиболее наглядной оценка надежности.

Правильно ли принимать в качестве измерителя развернутую длину контактной сети? С одной стороны, действительно, отдельные виды повреждений зависят не только от протяженности (числа элементов), но и от размеров движения и связанных с ними удельным электропотреблением, тяговыми нагрузками и числом проходов токоприемников. К таким повреждениям можно отнести: пережоги проводов над токоприемниками и на сопряжениях и секционных изоляторах, а также в токопроводящих зажимах; часть ветровых повреждений при взаимодействии токоприемников с контактной сетью; повреждения, вызванные сходами с рельсов подвижного состава, негабаритными грузами, развалом груза и т. п. В общем количестве эти зависящие от размеров движения виды повреждений составляют 26-30%, но и они в ряде случаев происходят из-за допущенных отступлений от норм содержания контактной сети, электроподвижного состава или других устройств.

На тяговых подстанциях размеры движения (токовые нагрузки) могут сказаться только на повреждении выключателей фидеров, питающих контактную сеть. На основании анализа данных за ряд лет была сделана попытка установить наличие зависимости (корреляционной связи) между числом повреждений тяговых подстанций и удельным электропотреблением (нагрузками), а также между числом повреждений контактной сети и числом проходов токоприемников и удельным электропотреблением. Тщательное изучение этого вопроса показало, что какой-либо устойчивой закономерности здесь не обнаруживается. При одних и тех же грузонапряженности или электропотреблении или при одинаковом числе проходов токоприемников удельное количество повреждений оказывается резко различным.

Некоррелированный характер имеет также распределение повреждений контактной сети и тяговых подстанций, отнесенных к электропотреблению (токовым нагрузкам).

С другой стороны, существует прямая связь между числом повреждений контактной сети и условиями погоды (выдувание и поджатие контактных проводов, опрокидывание фиксаторов, пережоги при гололеде и изморози и др.). Однако этот фактор непосредственно связан с протяженностью (развернутой длиной) контактной сети. Исследования динамики изменения удельного числа повреждений привели к следующим выводам:

- надежность контактной сети на участках с тяжелым, особенно горным, профилем ниже, чем на равнинных;

- надежность тяговых подстанций постоянного тока ниже, чем подстанций переменного тока (без учета повреждений компенсирующих устройств); более сложные подстанции постоянного тока, трудовые затраты на ремонт которых приблизительно на 30% выше, чем на подстанциях переменного тока, имеют и несколько большее число повреждений. Сказывается также и то, что масляные выключатели фидеров переменного тока работают более устойчиво, чем даже сдвоенные быстродействующие выключатели;

- надежность контактной сети постоянного тока выше, чем контактной сети переменного тока, хотя она сложнее и затраты труда на ее ремонт на 20-25% выше, чем на переменном токе [4].

На основании опыта эксплуатации системы электроснабжения можно сформулировать следующие общие положения:

- при гололедах, сильных ветрах и низких (менее -25--30°С) температурах надежность системы понижается;

- повышение квалификации обслуживающего персонала и применение методов инструментального контроля увеличивают надежность;

- чем больше размеры движения (больше число проходов токоприемников), тем менее надежна система;

- по мере совершенствования оборудования, конструкции узлов и деталей надежность их должна повышаться.

Ниже выполнен анализ элементной надежности системы электроснабжения по следующим основным узлам:

- контактная сеть - контактные провода, несущие тросы и другие провода, изоляторы, опорные конструкции, узлы фиксации, прочие узлы и детали;

- тяговые подстанции - трансформаторы, выключатели, разрядники, сглаживающие, компенсирующие и прочие устройства;

- устройства электроснабжения системы централизованной блокировки (СЦБ).

Делись добром ;)