Вероятностная оценка долгосрочного ресурса морской портовой кабельной линии при воздействии случайных изменений температуры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.315.23

ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА ДОЛГОСРОЧНОГО РЕСУРСА МОРСКОЙ ПОРТОВОЙ КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СЛУЧАЙНЫХ

ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Лицкевич А.П., к.т.н., профессор кафедры «Радиосвязь на морском флоте», ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет

имени адмирала Ф.Ф.Ушакова»

Халезин А.А., аспирант, кафедра «Радиосвязь на морском флоте», ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени

адмирала Ф.Ф.Ушакова»

В статье рассматривается вероятностная оценка ресурса морского портового силового кабеля с промасленной бумажной изоляцией, эксплуатируемого в течение длительного времени в условиях случайных флуктуаций температуры. Основой для построения вероятностной модели используется физическая кинетика и закон Аррениуса.

Ключевые слова: эксплуатационный ресурс изоляции, энергия активации, флуктуации температуры, тепловое старение изоляции

PROBABILISTIC ASSESSMENT OF LONG-TERM RESOURCES OF THE SEA PORT CABLE LINES ON EXPOSURE RANDOM CHANGES TEMPERATURE

Litzkevich A., Ph.D., professor, Radioelectronics chair, FSBEIHPE «State Maritime University Admiral Ushakov» Halezin A., the post-graduate student, Radioelectronics chair, FSBEI HPE «State Maritime University Admiral Ushakov»

The article discusses the probabilistic assessment of the marine port power cable with oiled paper insulation operated within a long period to time, in terms of random fluctuations in temperature. Basis for building-probably model uses physical kinetics and Arrhenius law.

Keywords: service life of isolation, activation energy, temperature fluctuations, thermal aging of the insulation

Актуальность работ по исследованию эксплуатационных параметров кабельных изделий, используемых на морском транспорте, возрастает по следующим причинам:

• значительно увеличивается объем перегружаемых грузов, что вызывает использование более мощной погрузочно-разгрузочной техники, потребляющей значительный ток в питающих кабельных линиях;

• повышается оперативная готовность погрузочно-перегрузочных объектов, сокращается переход на режим постоянной готовности к выполнению заданных функций;

• вследствие увеличивающего потока судов, носящего случайный характер, возникает стохастизм токовой нагрузки кабельной линии, что в свою очередь вызывает случайный характер дестабилизирующих факторов действующих на кабельную линию.

• возрастают требования к высокой надежности и долгосрочного ресурса эксплуатируемой кабельной линии.

Перечисленные выше причины особенно касаются эксплуатации электроэнергетических кабельных линий морского порта с точки зрения их надежности, поскольку требует особого внимания вследствие действия многих неблагоприятных факторов, одним из которых является воздействие температуры на кабельную линию, которая вызывает интенсивное старение электрической изоляции (диэлектрика). Следует отметить, что именно диэлектрик и обеспечивает распространение электромагнитного поля по кабельной линии. Ресурс электрической прочности изоляции определяет фактическую наработку кабеля, а срок службы характеризует календарное время с момента ввода кабеля в эксплуатацию независимо от наработки и коэффициента нагрузки. В условиях эксплуатации происходит старение электрической изоляции кабелей. Известно, что 37 % всех отказов силового электрооборудования связано с нарушением электрической прочности изоляции. На практике также случается, что у кабельной линий (КЛ) истек срок службы, но она продолжает работать, так как не выработала своего ресурса. Поэтому необходимо знать наработку кабельной линии и её реальный ресурс. Ресурс электрической изоляции КЛ существенно зависит от температуры и от напряженности электрического поля. Для определения ресурса КЛ существует экспериментальные методы, но большинство из них является разрушающими и в условиях интенсивной круглосуточной портовой эксплуатации неприемлемы. Кроме того, каждый действующий кабель работает в индивидуальных условиях эксплуатации, а параметры, необходимые для данных расчетов, изменяются в широких пределах. Разрушающими являются и профилактические высоковольтные испытания, предназначенные для своевременного выявления изношенных кабелей.

Поэтому поиски специалистов направлены на разработки теоретических моделей базирующихся на неразрушающих методов фиксации параметров, во время которых кабели не подвергаются старению и не выходят из строя, а результаты диагностики дают информацию о наработке и остаточном ресурсе.

Диэлектрические материалы, используемые для изготовления внутренней изоляции кабелей, при комнатной температуре практически инертны. Однако при рабочих температурах (90-180 °С) в этих материалах существенно ускоряются химические реакции, которые изменяют структуру материалов и вызывают ухудшение свойств изоляции в целом. Эти процессы именуют тепловым старением [1]. Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций, зависящими от температуры.

Если кабельная линия работает при неизменной температуре изоляции, оценить скорость процесса старения изоляции или срок службы сравнительно несложно. Известны зависимости, связывающие срок службы изоляции данного класса с определенным постоянным уровнем температуры в течение срока службы. Первые работы в этом направлении имели, главным образом, опытный характер, и относились к изоляции класса А (предельная температура не выше 106 °С). В результате многочисленных экспериментальных исследований, было сформулировано правило «восьми градусов» (правило Монтзигера). В соответствии с этим правилом повышение температуры изоляции кабельной линии на каждые 8°С сверх предельно допустимой сокращает срок службы вдвое [1, 2].

т —Tu

Ku= R-2^Г= R 'exP[—b тu], (1)

R R

где Tu - срок службы при увеличенной температуре; т - срок службы при температуре ф (определяется в зависимости от класса

° C

изоляции, например, 7 лет при ф =105 ); Лт - постоянное приращение температуры (для применяемых классов изоляции находится

°С

в диапазоне 8-10 ); b - коэффициент, определяемый классом изоляции.

Значения Ат не могут быть названы точно, если недостаточен объем экспериментальных данных. Для изоляционных материалов класса А обычно принимают Ат = 8°С . Термически активная изоляция (класса В) повысила это значение до Ат=10°С.

Логарифмический характер зависимости (1) диктует жесткие правила эксплуатации изоляции кабелей. Согласно [2] именно пиковые температуры определяют практический срок службы кабеля. С этой точки зрения качество конструкции тем выше, чем меньше отношение пиковой температуры к средней. Формула (1) является приближенной, но она позволяет верно, произвести оценку конструкций электрических машин и режимов их эксплуатации, особенно при экономических расчетах. Более строгий подход к исследованию явления старения изоляции под влиянием температуры связан с применением общих законов кинетики химических реакций. Теоретически скорость старения промасленной бумажной изоляции кабелей можно оценить, используя известное уравнение Аррениуса, описывающее зависимость скорости химических реакций от температуры. Существует следующая зависимость скорости протекания химических реакций от температуры [3]:

1пК = B + А

Т , (2) где т - абсолютная температура (градусы Кельвина), K - постоянная скорости реакции. Коэффициенты А и В в уравнении (2) имеют определенный физический смысл и связаны с постоянными, характеризующими состав и структуру вещества, участвующего в реакции.

где

E

Б =

R

1пТ = Б - в т

и в - постоянные, характеризующие состав и структуру вещества [1, 3],

Е

(3)

- избыточное по сравнению со средней

величиной количество энергии (энергия активации), которым должна обладать молекула вещества, чтобы оказаться способной к химическому взаимодействию; Я =8,32 Дж/град*моль - универсальная газовая постоянная. На основании этого, зная срок службы изоляции Я1 при температуре т 1 , можно определить ее срок службы Я2 при температуре т 2 из следующего уравнения

= • ехр

/

В-

1 1

\

(4)

Экспериментальное значение В для класса изоляции А согласно [2,3] составляет 0,95^010-4 °К, для класса В 1,02^010-4 °К. Износ изоляции в единицу времени при постоянной температуре ф, °С,

Е = — = — • ехр(Ьт)

(5)

где т - продолжительность службы изоляции, С, Ь - определенные коэффициенты. Размерность в течение времени г температуре т

г

время-1, и при изменяющейся

Е = . ] ехр(Ь т) • Сг

. 0

0 . (6) Поскольку интерес представляет относительное уменьшение срока службы изоляции, износ характеризуется не величиной о, а безраз-

X

мерной величиной С = г. Исследуем зависимость временного ресурса изоляции класса А от роста температуры, используя формулу (4)

8 = 25°С 8 = 105° С Т1 = 2 628 • 105 Т1 = 333° К

от " ^ до " ^ при известных параметрах, в системе МагксаС[4]: ' час (30 лет); ._>._>._> л

Еа = 0.95 104 °к

т 1(0) =т 0 • ехр

Еа

1

1

273 +8 Т1

(7)

Рис 1. Графическая зависимость временного ресурса бумажной пропитанной изоляции при изменения температуры

8 = 130° С

8 = 25° С

X

Из приведенного графика видно быстрое снижение прочности кабельной бумаги в масле, которое наблюдается, начиная с 105 °С до 130 °С. Такую температуру считают предельно допустимой. Если условно принять, что срок службы кабеля (на основании данных по износу кабельной бумаги) при 25 °С равен 30 годам, то при 120 °С он составит только 10 лет. В тех случаях, когда старение промасленной изоляционной бумаги протекает без доступа кислорода, разложение ее при сравнимых температурах замедляется [1].

В процессе длительной эксплуатации кабельной линии для морских погрузочно-разгрузочных работ ток в питающей цепи, как отмечалось ранее, меняется случайным образом дискретно, многократно и независимо от предшествующих значений. Учитывая, что температурные изменения в каждом отдельном случае значительно более инерционные, чем изменения тока в кабельной линии, то в этом случае можно воспользоваться центральной предельной теоремой и принять положение, что колебания температуры изоляции на большом промежутке эксплуатации меняются случайным образом и распределены по нормальному закону. Воспользуемся формулой (7) смоделируем 500 реализаций значений сработанного ресурса, используя систему Mathcad [4]

Т1 := 333

т := т0- ехр

Т0 := 298

Е := 0.9510

4

Я := 8.314

4 5

8.76х 10 • 3 = 2.628Х 10

т0 := 2.628Х 10

Е

/

1

1

\

Я гпогт(500, Т1,33) Т0

40.6 60.4 п

Рис. 2. Графическое изображение случайной реализации совокупности из 100 ресурсов

По полученным дискретным реализациям построим гистограмму распределений совокупности случайных величин. Операторы Mathcad для построения плотности функции распределения имеют вид

п = 500, Ьаг = 50,

Н = histogram(Ьaг,т ),

Ь

тах(И<1}) - тт(И^) Н

(2)

bar

/

п • h

1-10

8.2-10

"6

6.4-10

4.6-10

2.8-10

1-10

"6

1

1.4 -10

2.8-10\ 4.2-10

Л1> Н , \у

5.6-10 7-10

Рис. 3. Графическое изображение плотности распределения ресурса бумажной промасленной изоляции силового кабеля, питающего

погрузочно-разгрузочную технику морского порта

Полученная плотность распределения ресурса аппроксимируем логнормальным распределением

1() 1 {(!п(г)-а)2 Л г^) =---• ехр

о • г• V2•п

2 о

1- V

/-1

(8)

Для определения параметров логнормальной плотности распределения используем аппроксимацию методом наименьших квадратов в системе Mathcad. Плотность функции распределения логнормального распределения для ресурса наработки с полученными параметрами имеет вид:

f(z) =

0.29 • z•л/2л;

• exp

(ln(z) -12.07 ) 2 • 0.292

2 Л

L V

/J

(9)

1 ■io"5

8.2 ■io"6

f 6.4 ■io"6

^4.6 ■io"6

2.8 ■10

~6

1 ■10

!Y\

\

\лл

1.4-105 2.8-105 4.2-105 5.6-105 7-IO5

H

r<l)

Рис. 4. Графическое изображение аппроксимированной дискретной функции плотности распределения логнормальной плотностью

распределения

Точность аппроксимации ^ определяется выражением:

50

(10)

В результате среднеквадратическая погрешность составляет ^ 5.169 10 .

Получив плотность распределения ресурса во времени, определим вероятность того, что величина ресурса примет заданное значение

ДО.

вероятности

P(t)=1 -f-1

JAIQ.,.

0.29 • z •л/2"-П

• exp

^ (ln(z) -12.07)2 л

2 • 0.292

L V

• dz

(11)

Рис. 5. Графическое изображение функции вероятности логнормальной плотности распределения

P(t)

Таким образом, используя уравнения химической кинетики (уравнение Аррениуса) и моделируя случайными числами флуктуации температуры, мы получили вероятностную модель старения изоляции. По сравнению с детерминированной моделью (не учитывающей случайные флуктуации температуры и использующую только уравнение Аррениуса), получена дополнительная информация о вероятности наработанного ресурса:

р(0 = 0.98

• высокая вероятность

работоспособности (надежность) линии силового кабеля с пропитанной маслом изоляцией

ф - - (0 = 50° - 60°)

и с флуктуирующей по нормальному закону температурой ( ) в напряженных условиях морского порта реализуется

только до ^ 10 лет;

Р(0 = 0.88 I = 14 -15

• предельное значение верхней площадки участка кривой вероятности составляет , а ресурс составляет ' ^

лет;

P(t) = 0.3 93 95

• низкая вероятность v у соответствует ресурсу 23-25 годам;

• теоретически ресурс нормальной эксплуатации составляет 30 лет.

Из разработанной выше вероятностной модели, сверенной с эксплуатационными данными морских кабельных линий с бумажной изоляцией, с необходимостью вытекает важность диагностики и проведения профилактических работ для обеспечения высокой вероятности работоспособности (надежности) с целью обеспечения долговременного эксплуатационного ресурса.

Литература:

1.Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов: Учебное пособие для вузов. " М.: Энергоиздат, 1982.

2. Боев М.А., Канискин В.А., Костенко Э.М., Сажин Б.И., Таджибаев А.И. Эксплуатация силовых электрических кабелей, часть 2. Учебное пособие. Диагностика силовых кабелей и определение остаточного ресурса в условиях эксплуатации. - С " Петербургский энергетический институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов Министерства энергетики Российской Федерации, С-Петербург. 2001.

3.Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л., Испытание и надежность электрических машин. Учебное пособие. " М.: Высшая школа, 1988.

4. Гурский Д.А. Вычисления в МАТНОАБ /Д.А Гурский, " Мн. Новое знание, 2003/

УДК 656.261

СОСТОЯНИЕ ТРАНСПОРТНО-ЭКСПЕДИЦИОННОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ В РОССИИ

Поспелова Л.Н., аспирант, кафедра «Эксплуатация железных дорог», ФГБОУВПО «Московский государственный университет путей

сообщения», e-mail: [email protected]

В статье рассматривается современное развитие транспортно-экспедиционного обслуживания на железнодорожном транспорте. Определены основные недостатки развития транспортно-экспедиционного обслуживания, как элемента конкурентоспособности железнодорожного транспорта, а также предложены основные направления дальнейшего развития железнодорожной магистрали.

Ключевые слова: транспортно-экспедиционное обслуживание, качество, железнодорожный транспорт.

STATE OF FORWARDING SERVICE OF THE RAILWAYS IN RUSSIA

Pospelova L., the post-graduate student, Railway Operation chair, FSBEIHPE «Moscow State University of Railway Engineering», e-mail:

[email protected]

The article discusses the development of modern freight forwarding services on the railways. The main disadvantages of freight forwarding services as an element of competitiveness of rail transport, as well as the basic directions offurther development of the railway.

Keywords: freight forwarding services, the quality of railway transport.

Современный рынок транспортно-экспедиционного обслуживания в России достаточно молодой. История развития экспедирования в России напрямую взаимосвязана с историей развития транспорта.

Первые организации транспортно-экспедиционного обслуживания появились на железнодорожном транспорте в 80-е годы IX века. В IX веке функции перевозчика и экспедитора разделились, вследствие этого произошло выделение транспортно-экспедиционного обслуживания в самостоятельную область деятельности с созданием Союзов экспедиторов. В Уставе железных дорог 1922 года предприятия транспортно-экспедиционного обслуживания были узаконены и к концу IX- началу XX веков конкурентная борьба привела к созданию крупных экспедиторских фирм [22].

К концу 20 века были выявлены серьезные проблемы, связанные с низким качеством предоставляемых услуг и оттоком кадров с железнодорожного транспорта. Кроме этого, недостаточное тарифное регулирование, несовершенная законодательная база и износ инфраструктуры железнодорожного транспорта препятствовали развитию конкуренции. Конкуренция на транспорте это борьба за грузовладельца, которая вынуждает применять современные технологии, повышать скорость доставки грузов и пассажиров, повышать качество перевозок и их надежность.

Особенностью организаций, оказывающих сервисные услуги, является подход к управлению качеством услуг. Рассматривается два параметра качества [13]: техническое (то, что потребитель получает при взаимодействии с сервисной фирмой) и функциональное (как потребитель получает услуги).

В настоящее время недостаточно продумана и неэффективна система государственной поддержки транспортно-экспедиционных предприятии в нашей стране. Владельцы предприятий оценивают государственную поддержку, как не обеспеченную реальными обязательствами [22 с. 96].

Основными недостатками нормативно-правовой базы транспортно-экспедиционной деятельности можно указать: отставание действующего законодательства от практики, нестыковка законодательных и нормативных актов на разных видах транспорта, низкий уровень информационного обеспечения предприятий о при-

нимаемых законах [2, 22].

Кроме этого, совершенствование стандартов, норм и других документов, регламентирующих взаимодействие различных видов транспорта в узлах повысит пропускную способность и избавит от излишка порожних вагонов [2, 10, 19, 31].

Серьезной проблемой, является непрофессиональное применение НДС в сфере экспедирования на местах и отсутствие унификации налогов [7, 22].

Основной задачей перевозчика является развитие инфраструктуры и усиление провозной и пропускной способности за счет создания резервов производственных мощностей инфраструктуры и переходу к календарному планированию [12, 16].

Для развития железнодорожной инфраструктуры, реализации крупных инфраструктурных проектов необходимо привлечение частно-государственного капитала [21 с. 9].

Достаточно остро стоит проблема взаимодействия различных видов транспорта в транспортных узлах. Потеря времени и средств происходит из-за несогласованности развития инфраструктуры разных видов транспорта, отсутствие современных автоматизированных и механизированных грузовых терминалов. Необходимо выстраивать четкую координацию взаимодействия видов транспорта в узле и применять контактные графики [14, 15, 21, 34].

В части повышения качества оказания услуг в сфере железнодорожного транспорта необходима унификация тарифов [5, 8]. В пределах максимальной и минимальной тарифных ставок может осуществляться свободное тарифообразование. Тарифы должны исследоваться во взаимосвязи со сроками доставки грузов, а также загруженностью инфраструктуры [21].

Во всем мире давно уже используется Законодательство, обязывающее страховать опасные грузы, это гарантирует покрытие основных рисков, обеспечивает адекватные выплаты в случае возникновения чрезвычайных ситуаций. В России грузовладельцы зачастую обходятся без страхования, без каких-либо гарантий сохранности. В данном случае речь идет о национальной безопасности, экологичности и сохранение жизни и здоровья людей [20 с. 12].

На данном этапе необходим электронный документооборот и расчеты через Интернет, требуется создавать и развивать современ-