Определение параметров границы раздела «Арматура - бетон» по результатам анализа переходного процесса Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ticheskoi ekonomii energeticheskikh resursov, dostigaemoi pri realizatsii energoservisnykh dogo-vorov]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 2, 106 - 114 p.

7. Ianovskii L. P., Bukhovets A. G. Vvedenie v ekonometriku (Introduction to Econometrics). Moscow, 2007. 256 p.

8. Khalafian A. A. Statistica 6. Statisticheskii analiz dannykh (Statistica 6. Statistical analysis of data). Moscow, 2007, 512 p.

9. Eliseeva I. I. Ekonometrika [Econometrics]. Moscow, 2005, 576 p.

10. Orlov A. I. Wealthy testing criteria of absolute uniformity independent samples [Sosto-iatel'nye kriterii proverki absoliutnoi odnorodnosti nezavisimykh vyborok]. Zavodskaia laboratoriia. Diagnostika materialov - Plant Laboratory. Diagnosis materials, 2012, no. 11, T. 78, 66 - 70 p.

УДК 621.316.97

В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А. В. Пономарев

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА «АРМАТУРА - БЕТОН» ПО РЕЗУЛЬТАТАМ АНАЛИЗА ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА

Статья посвящена совершенствованию методов исследования опор контактной сети на предмет их коррозионного разрушения. В качестве исследуемого объекта используются бетонные образцы, изготовленные в заводских условиях в соответствии с технологией изготовления железобетонных опор контактной сети и позволяющие моделировать физические процессы, происходящие в реальных опорах.

В статье описан процесс изготовления лабораторных образцов железобетонных опор контактной сети. Выполнен анализ переходного процесса для схемы замещения бетонного образца. В результате получены формулы и разработана методология для расчета параметров границы раздела «арматура - бетон». Достоверность схемы замещения подтверждена путем построения теоретической зависимости тока от времени и сравнения ее с экспериментальной.

Обеспечение безопасности движения поездов является одним из приоритетных направлений деятельности ОАО «РЖД». Для этого ежегодно проводится комплекс организационно-

технических мероприятий, направленных на повышение надежности работы основных электротехнических устройств и поддержание инфраструктуры предприятия в работоспособном состоянии. Стратегически важными объектами инфраструктуры ОАО «РЖД» являются железобетонные опоры контактной сети, которые подвержены коррозионному воздействию вследствие множества влияющих внешних факторов. Поэтому задача совершенствования методов определения коррозионного состояния опор контактной сети актуальна.

Для получения возможности экспериментального исследования коррозионных процессов в опорах контактной сети изготовлены лабораторные образцы - бетонные блоки, в которые уложены металлические арматурные стержни. Линейные размеры и внешний вид образца приведены на рисунке 1.

Арматура выполнена из стандартных стальных стержней, используемых для изготовления опор контактной сети. Арматурные стержни различаются по диаметру и состоянию поверхности. По диаметрам стержни разбиты на три группы, представленные в таблице 1. По состоянию поверхности идет разделение на стержни, очищенные от

Рисунок 1 - Внешний вид образца

№204(240) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 85

заводской окалины, и с окалиной. Таким образом, все стержни разбиты на шесть групп, в каждой из которых не менее восьми опытных образцов.

Таблица 1 - Основные параметры металлических стержней по группам

Диаметр стержня, мм Средняя масса очищенного / не очищенного от окалины стержня, г Средняя длина стержня, мм Количество очищенных / не очищенных от окалины стержней

6 66,6 / 66,1 290 8 / 8

9 126,4 / 126,1 290 9 / 9

12 250,6 / 249,5 290 8 / 8

Бетонные образцы выполнены в заводских условиях в соответствии с технологией изготовления железобетонных опор контактной сети.

В результате экспериментального исследования образцов по схеме рисунка 2 выполнен синтез схемы замещения границы раздела «арматура - бетон» [1]. Полученная схема замещения бетонного образца (рисунок 3) теоретически подтверждена в источнике [2] и не противоречит модели, приведенной в работе [3].

Рисунок 2 - Схема исследования образца железобетонной опоры: 1 - шунт; 2 - образец; 3 - электрод сравнения; 4 - ванна; 5 - коррозионная среда; 6 - источник; 7 - коммутатор

Рисунок 3 - Схема замещения границы раздела «арматура - бетон»: Ес - электрохимический потенциал на границе раздела «арматура - бетон»; Ягр, Сгр - сопротивление и емкость границы раздела «арматура - бетон»; Яб - сопротивление бетона от границы раздела «арматура - бетон» до внешней границы бетонного образца

Электрохимический потенциал измеряется вольтметром относительно медносульфатного электрода сравнения. В среднем он принимает значения порядка Ес = 0,4 ... 0,7 В.

Чтобы получить выражения для определения параметров Сгр, Ягр и Яб, предлагается использовать переходный процесс, расчет которого выполним классическим методом. Расчетная схема приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Расчетная схема переходного процесса на образце

По сравнению со схемой замещения, приведенной на рисунке 3, в этой схеме добавляется сопротивление растеканию тока в коррозионной среде Кр, учитывающее участок цепи от внешней границы бетонного образца до электрода сравнения. Кроме того, на рисунке 4 показан внешний источник напряжения е(г), подключаемый к схеме, и шунт Кш, необходимый для определения формы кривой тока.

иш 1,6

В

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

Включение "--напряжения

Выключение напряжения

■н

1Л г\Г

1Л

г-.""

1Л г\Г

1Л Г--""

О

1Л

О

гл

1Л гл

О

1Л

О

1Л

1Л 1Л

О

Рисунок 5 - Зависимость напряжения на шунте иш(г) от времени при включении (т. 1 и 2) и выключении (т. 3) источника напряжения

Рассмотрим процесс поляризации опытного образца железобетонной опоры при подключении к постоянному, положительному значению напряжения е(г) = Е. На рисунке 5 изображена осциллограмма падения напряжения на шунте при замыкании (точки 1 и 2) и размыкании (т. 3) ключа. Масштабы по напряжению и времени указаны на рисунке, однако масштаб по времени для второго графика (размыкание ключа) увеличен в 10 раз: максимальное значение не 60, а 600 мкс.

При расчете будем полагать, что включение схемы происходит в момент времени г = 0. На осциллограмме, представленной на рисунке 5, включение происходит в момент времени г = 10 мкс и соответствует точке 1.

Учитывая, что сопротивление бетона Кб и сопротивление растеканию электрического тока Кр в схеме замещения включены последовательно, в расчетах удобнее их учитывать вместе. Объединим их в одно сопротивление коррозионной среды:

Кс = Кб + К.

В этом случае система дифференциальных уравнений, составляемых по законам Кирхгофа, запишется в виде:

№ 0(40) ■4010

1

г

I 1К + 1С ;

К Кс + К)+ис = Е;

¡яКр — ис = Ес ■

До замыкания ключа ис (0—) = —Ес ■ Тогда начальные значения тока и напряжения в схеме можно найти из системы (1), в которой с учетом закона коммутации ис (0+) = ис (0—) = —Ес ■ Тогда

/(0+)( Кс + К ) + ис (0+) = Е; Еп + Е

/к(0+) =

/(0+) = Ес +ис(0+)

К

К + К/ = 0; / (0+) = /(0+).

Измеряемое напряжение

и = ис + = е(0 — /Кш

в начальный момент времени принимает значение

и(0+) = ис (0+) + /(0+) Ккс =—Ес +Е±Е Ккс = ЕКс ЕсКи

Постоянная времени рассматриваемой цепи

Т = КЭсгр . где К =

Кс + К

Кр (Кс + Кш )

Кс + Кш

Кр + Кс + К

Решение для тока может быть записано в виде:

(2)

(3)

(4)

/(*) = /пр(*) + Ае т ■

(5)

Принужденная составляющая при постоянном внешнем напряжении является константой и не зависит от времени. Установившееся значение тока можно найти из системы дифференциальных уравнений (1), считая, что /с = 0:

/пр =

Ес + Е

Кс + К + Кр

(6)

Неизвестный коэффициент А\ найдем из уравнения (5), записанного для момента времени t = 0+ с учетом начального условия (2):

Е + Е Ег + Е

с - с + А;

А = (Ес + Е)

Кс + Кш Кс + Кш + Кр Кр

(Кс + Кш )(Кс + К + Кр )

(7)

Учитывая, что известно, а начальное значение тока /(0+) можно определить по осциллограмме переходного процесса, из уравнения (2) определяем ^кс:

К = Ес + Е — п Ккс /(0+) ■

(8)

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

№ 4(20) 2014

Сопротивление Rrp можно найти через отношение

i(0+) _ Rc + Rh + Rrp

1пр Rrc + R

= 1 -

Rc + Rh

так как значение /пр = const и его можно получить по осциллограмме при условии, что за время, отведенное на поляризацию, переходный процесс успел завершиться. Таким образом,

(■

К =

/(0+)

i

v пр

Л

-1

(Якс + Rh )•

Емкость Сгр можно найти по выражению (4):

^ = R'

(9)

(10)

Постоянная времени т определяется графически по осциллограмме. В случае если заряд не заканчивается на интервале отрицательного импульса (4 т > 20 с), постоянную времени т можно найти, определив по осциллограмме значение тока ¡(г\) в момент переключения коммутатора (г1 = 20 е):

КО = 1пр + Aie ti

t =

f

ln

Л

(11) (12)

КО - 4р у

Выполним численный расчет параметров схемы замещения Сгр, Кгр и Кб на примере переходного процесса, экспериментально зафиксированного на одном из образцов. На рисунке 5 изображена осциллограмма напряжения иш(г), по которой осуществим измерения.

Для более точного определения значения тока в нужных точках процесс записи осциллограммы разбивается на две части: включение и выключение напряжения. Отключение схемы от источника напряжения выполняется через 40 с - время, необходимое для подготовки осциллографа к записи следующего графика и вполне достаточное для того, чтобы переходный процесс закончился.

При проведении эксперимента использовались следующие значения параметров: сопротивление шунта Кш = 20 Ом; измеренное значение электрохимического потенциала на границе раздела «арматура - бетон» составило -0,4 В; напряжение источника ЭДС Е = 12 В.

По осциллограмме определяются следующие значения.

Начальное значение тока непосредственно после коммутации:

1(0+) =

иш(0+),

Rh

1(0+) = 0,068 A,

(13)

где иш(0+) = 1,36 В - напряжение на шунте непосредственно после включения источника. На осциллограмме, изображенной на рисунке 5, это значение напряжения в точке 1.

Принужденная составляющая тока определяется непосредственно перед выключением источника:

и _

(14)

1пр =

ш пр

/„ = 0,0525 А,

где иш пр = 1,05 В - напряжение на шунте непосредственно перед выключением источника. На осциллограмме, изображенной на рисунке 5, это значение напряжения в точке 3.

Коэффициент А1 можно найти как разность значений:

А = *(0+) - ;

А = 0,0155 А.

Постоянную времени т найдем по осциллограмме, изображенной на рисунке 5. Воспользуемся формулой (12), выбрав в качестве расчетной точку 2, которая соответствует моменту времени 11., когда ток в цепи

¡(О=+ 0,5 А (16)

¡(^ ) = 0,060 А.

В этом случае иш(^) = Кш = 1,2 В. На осциллограмме это соответствует моменту времени ^ = 45 мкс. По рисунку получается 55 мкс, но так как мы в расчете приняли, что коммутация произошла в момент времени I = 0, а на осциллограмме коммутация произошла в момент времени I =10 мкс, то в результат измерения t1 вводим поправку на 10 мкс.

Тогда постоянная времени

т = ■

45

45

45

(

1п

А

¡ТО - к

\

(

1п

пр у

А

л

г

1п

т =

V ¡пр + 0,5 А - ¡пр У

45

: 65 мкс.

А

V

(17)

V0,5А у

1п ( 2)

Сопротивление бетона от границы раздела «арматура - бетон» до внешней границы бетонного образца Кб можно определить только вместе с сопротивлением растеканию тока Кр, получив сопротивление коррозионной среды по формуле (8):

п = Ес + Е - п . Лкс ¡(0+) Лш'

= 0,4 +12 -20 = 162,3 Ом. 0,068

(18)

Сопротивление границы раздела «арматура - бетон» найдем по формуле (9):

К =

К =

' 0,068 ч 0,0525

^'(0+) ^

(Пкс + Пш); V -пр У

-1 1(162,3 + 20) = 53,8 Ом.

(19)

Емкость границы раздела «арматура - бетон» найдем через сопротивление Кэ, используя выражения (4) и (10):

Пэ =

Пр (Пкс + Пш ) . Пр + Пкс + Пш '

(20)

п = 53,8(162,3 + 20) = 41,5 Ом.

Э 53,8 +162,3 + 20

с =—•

4 Пэ '

(21)

_ 65-10 гр 41,5

6

= 1,57 мкФ.

На рисунке 6 по найденным значениям Rro, RKC и Сгр построены зависимости токов от

t ->

Рисунок 6 - Зависимости теоретически рассчитанных токов ;'с, iR и экспериментально полученного тока /'эксп(0 от времени

В результате анализа рисунка 6 можно сделать вывод о том, что теоретически построенная кривая i(t) совпадает по форме с экспериментальной кривой /эксп(0, полученной на основе осциллограммы напряжения на шунте (см. рисунок 5). Численная проверка выполнена по трем основным значениям:

- начальное значение тока i(0+) в теоретической кривой равно 0,068А; в экспериментальной кривой, представляющей собой график напряжения wm(t), в соответствии с уравнением (13) получилось то же самое значение;

- теоретически определенное значение тока в момент времени ti = 45мкс совпадает с полученным экспериментально в выражении (16): i(t1) = 0,060 A;

- теоретически полученная принужденная составляющая тока = 0,0525 А также совпадает с принужденной составляющей, полученной экспериментально в выражении (14).

Список литературы

1. Маслов, Г. П. Методика определения параметров границы раздела «арматура - бетон» [Текст] / Г. П. Маслов, Н. Ю. Свешникова, А. В. Кандаев // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока / Новосибирская гос. акад. водного транспорта. - Новосибирск. -2008. - № 1. - С. 282 - 286.

2. Кандаев, В. А. Совершенствование эксплуатационного контроля коррозионного состояния подземных сооружений систем электроснабжения железнодорожного транспорта [Текст]: Монография / В. А. Кандаев / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2003. - 198 с.

3. Скорчеллетти, В. А. Теоретическая электрохимия [Текст] / В. А. Скорчеллетти. -М.: Химия, 1969. - 608 с.

References

1. Maslov G. P., Sveshnikova N. Y., Kandaev A. V. Method of calculation «steel - concrete» interface region parameters. [Metodica opredeleniya parametrov granici razdela «armatura - bet-

№ 4(20) 9014 ИЗВЕСТИЯ Транссиба 91

20 14 ——

on»]. Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka - Scientific problems of transport in Siberia and the Far East, 2008, no. 1, pp. 282 - 286.

2. Kandaev V. A. Sovershenstvovanie expluatacionnogo kontrolya korrosionnogo sostoyaniya pod-zemnih sooruzheniy system electrosnabzheniya zheleznodorozhnogo transporta: Monografiia (Improvement of corrosion state operating control for underground devices of railway power supply system: Monograph). Omsk, 2003, 198 p.

3. Skorchelletti V.A. Teoreticheskaia elektrokhimiia (Theoretical Electrochemistry). Moscow, 1969, 608 p.

УДК 621.311.4: 621.331

А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИСТАНЦИОННОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ИЗОЛЯТОРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

В статье приведены результаты моделирования и натурного испытания прибора для дистанционного контроля изоляторов контактной сети железнодорожного транспорта. Рассмотрены основные причины пробоя изоляторов. Приведена статистика отказов изоляторов контактной сети. Участок контактной сети представлен в виде модели линии с распределенными параметрами. Для создания виртуальной модели устройства и линии была выбрана программа Ми1Ш1т 12.0. Описана структурная схема прибора для дистанционного контроля изоляторов контактной сети. Представлена схема проведения эксперимента на участке контактной сети полигона ОмГУПСа. Выбрана форма диагностирующих импульсов для определения возможного места положения неисправного изолятора.

Наибольшее количество событий, связанных с нарушением безопасности движения поездов в хозяйстве электрификации и электроснабжения, происходит из-за отказов в работе устройств контактной сети. В 2013 г. в результате отказов устройств контактной сети допущено 129 транспортных событий (92,8 %), электроснабжения СЦБ и тяговых подстанций -по пять (по 3,6 %) [1].

Определяющими причинами отказов контактной сети, влияющими на безопасность движения в хозяйстве электрификации и электроснабжения, являются перекрытие и разрушения изоляторов контактной сети (21 %), обрывы и пережоги проводов (19 %), разрушение зажимов (11 %), нарушение регулировки контактной сети (10 %), обрывы струн (7 %) [1].

Повреждения изолирующих элементов приводят к сбою движения поездов, а в некоторых случаях и к большим перерывам, необходимым для восстановления поврежденных конструкций. В общем объеме повреждений изоляторов преобладающими являются механические. Подобные разрушения изоляторов наиболее часто происходят при неблагоприятных метеорологических условиях (в период сильных ветров и автоколебаний проводов, при низкой температуре) в тех узлах контактной сети, где на изоляторы воздействуют высокие механические нагрузки.

Основные причины разрушения изоляторов: низкая механическая прочность при ударных нагрузках; быстрое старение в эксплуатации, особенно при низкой температуре недостатки конструкций, фиксирующих узлов; нарушение норм содержания; случаи, не связанные с эксплуатацией.

Недостаточная механическая прочность изоляторов при их защемлении и воздействии ударных нагрузок приводит к разрушению фарфора. Снижение механической прочности некоторых изоляторов при длительной эксплуатации обычно происходит из-за возникновения значительных напряжений в месте сопряжения фарфора, цементной заделки и металлической арматуры в связи с разными коэффициентами температурного расширения этих материалов. В таких местах в фарфоре возникают микро- и макротрещины, со временем развивающиеся и снижающие механическую прочность всего изолятора. Максимальная потеря прочности происходит при низкой температуре [2].