Крюков А.В. Энергосбережение: Технологии, Приборы, Оборудование (Сборник научных трудов Иркутск)

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 3. Источник питания для сварки постоянным током. Сварщик с большим

опытом работы. Режим сварки, электрод марки МРЗ диаметром 4 мм, ток 125 А:

а) осциллограмма напряжения, пропорционального току дуги электросварки; б) спектр

тока дуги электросварки

а) ось X: 10 мс/дел; ось Y: 20 В/дел

б) ось Х: 250 Гц/дел; ось Y: 4 В/дел

Рис. 4. Источник питания для сварки переменным током. Короткое замыкание

источника питания, электрод марки МРЗ диаметром 4 мм, ток 100 А:

а) осциллограмма напряжения, пропорционального току короткого замыкания

источника питания; б) спектр тока короткого замыкания

а) ось X: 10 мс/дел; ось Y: 20 В/дел

б) ось Х: 250 Гц/дел; ось Y: 4 В/дел

Рис. 5. Источник питания для сварки переменным током. Режим электросварки,

электрод марки МРЗ диаметром 4 мм, ток 100 А:

а) осциллограмма напряжения, пропорционального току электросварки;

б) спектр тока электросварки

Масштаб: канал 1: ось X: 10 мс/дел; ось Y: 50 В/дел; канал 2: ось X: 10 мс/дел; ось

Y: 50 В/дел; спектр канала 1: ось Х: 250 Гц/дел; ось Y: 10 В/дел.

Рис. 6. Источник питания для сварки переменным током. Режим электросварки,

электрод марки МНЧ диаметром 4 мм, ток 100А:

1 – осциллограмма напряжения, пропорционального току электросварки;

2 – осциллограмма падения напряжения на дуге

Масштаб осциллограммы: ось X – 5 мкс/дел, ось Y – 5 В/дел; масштаб спектра:

ось Х – 500 кГц/дел, ось Y – 1 В/дел.

Рис. 7. Источник питания для сварки импульсным током. Режим короткого

замыкания, электрод МР3 диаметром 4 мм, ток 100 А:

1 – осциллограмма напряжения, пропорционального току короткого замыкания

Масштаб канала 1: ось X – 5 мкс/дел, ось Y – 5 В/дел; масштаб канала 2:

ось X – 5 мкс/дел, ось Y – 5 В/дел; масштаб спектра канала 1: ось Х – 500 кГц/дел;

ось Y – 1 В/дел.

Рис. 8. Источник питания для сварки импульсным током. Режим электросварки,

электрод марки МРЗ диаметром 4 мм, ток 100 А:

1 – осциллограмма напряжения, пропорционального току электросварки, 2 –

осциллограмма падения напряжения на дуге; m – спектр тока электросварки

Результаты экспериментов электросварки переменным током

представлены на рис. 4...6. На рис. 4 показан спектр тока короткого

замыкания, характеризующий сварочный трансформатор, в частности,

спектр этого тока связан с намагниченностью стального сердечника

трансформатора для выбранного значения тока. В дальнейшем, гармоники

спектра тока короткого замыкания исключаются из спектров сварочного

тока при разных условиях сварки, которые, согласно рис. 5 и 6, несут

информацию о режимах сварки. В частности, смена электрода марки МРЗ

(рис. 5) на электрод марки МНЧ (рис. 6) дает отличные спектры

сварочного тока, т.е. можно создавать эталонные спектры для

соответствующих электродов и режимов электросварки.

Масштаб канала 1: ось X – 5 мкс/дел, ось Y – 5 В/дел; масштаб канала 2:

ось X – 5 мкс/дел, ось Y – 5 В/дел

Рис. 9. Источник питания для сварки импульсным током. Режим электросварки,

электрод марки МРЗ диаметром 3 мм, ток 100 А:

1 – осциллограмма напряжения, пропорционального току электросварки;

2 – осциллограмма падения напряжения на дуге; m – спектр тока электросварки

Источник питания для сварки импульсным током дает форму кривой

тока короткого замыкания с более широким спектром гармоник (рис. 7),

чем в предыдущих опытах с другими источниками питания. При

электросварке на спектр тока влияет не только тип электрода (что было

отмечено выше), но и его диаметр при прочих равных условия (рис. 8 и

рис. 9).

Таким образом, для конкретных источников питания дуги,

выбранного режима сварки (длины дуги, формы и силы тока), пар

«электрод–материал» экспериментально создаётся эталонная база

частотных спектров, характеризующих оптимальный процесс

электросварки пар свариваемого материала разнообразного сочетания, что

в дальнейшем позволяет контролировать процесс электросварки и

управлять им в реальном масштабе времени на различных объектах

сварки. Критерии оптимальности процесса электросварки устанавливаются

в зависимости от поставленных целей.

Способ может быть реализован устройством, структурная схема

которого приведена на рис. 10:

1 – блок управления источником питания дуги;

2 – сварочное оборудование с объектом сварки (источник питания,

электрод, металл);

3 – компьютер с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми

преобразователями;

4 – оператор, обслуживающий оборудование;

5 – блок оптимизации системы автоматического управления (САУ).

Оператор

i (t)

Рис. 10. Структурная схема устройства для реализации способа контроля

и управления процессом электросварки

Реализация способа осуществляется системой автоматического

управления, которая, используя эталонную базу частотных спектров

оптимального процесса электросварки, контролирует протекание процесса

в реальном масштабе времени и задает оптимальный режим его

осуществления.

В управляющей цепи устройства предусмотрена возможность

визуального контроля процесса сварки и ручной настройки оптимальных

режимов работы сварочного оборудования (блок 4), что обеспечивает в

том числе и процесс обучения обслуживающего персонала.

Библиографический список

1. Сварка. Резка. Контроль: Справочник / под ред. Н.П. Алёшина. – М. :

Машиностроение, 2005. – 437 с.

УДК 621.331

С.М. Куценко, Н.Н. Климов, В.И. Муратов

КОМПЛЕКСНАЯ ДИАГНОСТИКА ЛИНЕЙНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

КОНТАКТНОЙ СЕТИ КАК СРЕДСТВО

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ

На железных дорогах России при проведении диагностирования

изоляции контактной сети большое распространение получил

ультразвуковой дефектоскоп типа УД-8, который обладает существенным

достоинством, заключающимся в дистанционной оценке состояния

изоляции на основании регистрации акустического излучения частичных

(ЧР) и поверхностных частичных разрядов (ПЧР). Прибор позволяет

проводить экспресс-анализ состояния гирлянд изоляторов под рабочим

напряжением, что важно при проведении диагностирования. Наряду с

достоинствами УД-8 обладает и рядом существенных недостатков:

1) высокий уровень посторонних шумов, принимаемых прибором;

2) выявление нормальных гирлянд как неисправных, на которых

возникает ПЧР из-за загрязнения изоляторов.

Альтернативным вариантом акустическому методу в последнее время

выступают методики, регистрирующие интенсивность излучения ПЧР в

ультрафиолетовом диапазоне (например, двухспектральная камера Day-

Corll, производимая в Израиле). Достоинством этого метода является то,

что его возможно использовать в специальном вагоне для испытаний

контактной сети. Таким образом, диагностирование изоляторов

предлагается проводить в скоростном режиме. Существенным же

недостатком этого метода является то, что он регистрирует лишь ПЧР и

коронные разряды, а частичные разряды, возникающие в полости

диэлектрика и являющиеся предвестником пробоя, этим методом выявить

невозможно.

Таким образом, используемые в настоящее время методы

диагностирования изоляции несовершенны, так как они не учитывают всю

совокупность проявления физических процессов, приводящих к потере

изолирующих свойств. Следовательно, разработка комплексной системы

диагностирования состояния изоляторов контактной сети является

актуальной задачей.

Для эффективного выявления неисправных изоляторов необходимо

использовать характеристики не только акустического, но и

электромагнитного излучения, которое возникает при ЧР. Авторами

проведены исследования нескольких десятков изоляторов как на

Восточно-Сибирской железной дороге, так и в высоковольтных

Работа поддержана грантом ИрГУПС № ТН-08-2.

лабораториях ИрГУПСа и Томского политехнического университета. В

большинстве случаев для исследования использовались гирлянды

фарфоровых изоляторов, которые были выявлены как неисправные

прибором УД-8. Исследования проводились при помощи высоковольтной

установки WPT 4,4/100, напряжение измерялось магнитоэлектрическим

прибором (киловольтметром). Регистрация акустических и

электромагнитных импульсов ЧР осуществлялась цифровыми

осциллографами различного типа при помощи ультразвуковых

дефектоскопов (УД-8 и Ultraprobe) и антенн соответственно. Схема для

регистрации акустического и электромагнитного излучения ЧР приведена

на рис. 1.

ИT

Cх

ЦО

УД

Рис. 1. Принципиальная схема регистрации частичных разрядов в изоляторах:

ИТ – измерительный трансформатор, Сх – исследуемая гирлянда фарфоровых

изоляторов, УД – ультразвуковой дефектоскоп, ЦО – цифровой осциллограф

Напряжение на исследуемую гирлянду подавалось в интервале 0…30 кВ.

Частота следования акустических сигналов измерялась цифровым

осциллографом на низкочастотном выходе УД. Исследование

электромагнитного излучения ЧР осуществлялось при помощи разных

типов антенн: таких как полуволновый вибратор, магнитная рамка, и

вертикальный штырь.

а) Осциллограммы в гирлянде из двух

исправных и одного неисправного изоляторов,

масштаб по оси X – 10 мс/дел, по оси Y

канала 1 – 2 мВ/дел, канала 2 – 100 мВ/дел.

б) Осциллограммы в гирлянде из одного

исправного и двух неисправных изоляторов,

масштаб: по оси X – 10 мс/дел, по оси Y– канал

1 – 10 мВ/дел, канал 2 – 500 мВ/дел.

Рис. 2. Осциллограммы акустического излучения разрядов, возникающих

на гирлянде из трех изоляторов при номинальном напряжении контактной сети

27,5 кВ. Канал 1 – регистрация электромагнитной эмиссии антенной,

канал 2 – регистрация акустической эмиссии ультразвуковым дефектоскопом

Канал 1

Канал 2

Ultraprobe

Проведенные исследования акустического и электромагнитного

излучений ЧР в звуковом диапазоне позволили получить следующий

результат: при наличии в гирлянде из трёх изоляторов одного

неисправного изолятора частота следования пачек импульсов

акустического сигнала равна 50 Гц (рис. 2 а). Если в гирлянде два

неисправных изолятора, то регистрируемая частота возрастает в два и

более раз (рис. 2 б), при этом уровень напряжения в контактной сети

должен быть не ниже номинального.

На рис. 3 представлены данные по регистрации электромагнитной

эмиссии ЧР для гирлянд фарфоровых изоляторов.

а) Осциллограммы в гирлянде из двух

исправных изоляторов и одного неисправного.

Масштаб по оси X – 10 мс/дел,

по оси Y канала 1 – 5 мВ/дел, канала 2 –

10 мВ/дел.

б) Осциллограммы в гирлянде из одного

исправного изолятора и двух неисправных.

Масштаб по оси X – 10 мс/дел,

по оси Y канала 1– 2 мВ/дел, канала 2 –

10 мВ/дел.

Рис. 3. Осциллограммы последовательности электромагнитных импульсов ЧР

в гирляндах из трех изоляторов. Сигнал зарегистрирован при помощи штыревой

антенны (канал 1) и пояса Роговского (канал 2). Напряжение на исследуемых

гирляндах равно 27,5 кВ

Сопоставление результатов, приведенных на рис. 2 и 3, позволяет

сделать вывод о том, что частота следования электромагнитных и

акустических импульсов ЧР зависит от числа неисправных изоляторов в

гирлянде. А именно, с ростом числа дефектных изоляторов в гирлянде

частота следования импульсов увеличивается. Данный эффект

рассматривается нами как диагностический признак неисправных гирлянд

фарфоровых изоляторов контактной сети.

Для оценки энергетических характеристик импульсов ЧР,

возникающих в высоковольтных изоляторах, используется традиционная

схема [1] (рис. 4).

В качестве измерительного элемента используется высокочастотная

(до 4 ГГц) согласующая нагрузка 50 Ом типа BNC-117. Регистрация

импульсов ЧР осуществляется цифровым осциллографом типа DSO 3202А.

Сопоставление результатов измерений импульсов ЧР, полученных

Канал 1

Канал 2

традиционным способом и при помощи антенн (рис. 1), осуществляется

путем одновременного подключения датчиков к обоим каналам

осциллографа. Для оценки импульсов ЧР в некоторых экспериментах в

качестве антенны был использован интегрирующий пояс Роговского.

ИT

Cх

ЦО

Рис. 4. Схема регистрации импульсов ЧР в изоляторах:

ИТ – испытательный трансформатор, Сх – исследуемая гирлянда фарфоровых

изоляторов, Z – измерительный элемент, ЦО – цифровой осциллограф

На основе измерения спектра электромагнитного излучения в

высокочастотном диапазоне и определения выделившейся при ЧР

мощности установлен критерий, позволяющий оценить состояние гирлянд

изоляторов. Суть критерия заключается в том, что регистрация штыревой

антенной и осциллографом DSO 3202A сигнала в частотном диапазоне от

20 кГц до 200 МГц с амплитудой выше 10 мВ рассматривается как сигнал

дефектности гирлянды фарфоровых изоляторов (рис. 5 а). Такую гирлянду

следует заменить.

Критический уровень

а) спектр ЧР на дефектной гирлянде

фарфоровых изоляторов

б) Спектр ЧР на гирлянде фарфоровых

изоляторов

Рис. 5. Спектры ЧР в гирлянде из трех изоляторов при напряжении 25 кВ,

зарегистрированные цифровым осциллографом DSO 3202А при помощи антенны

Установленная закономерность является вторым диагностическим

признаком наличия неисправных гирлянд фарфоровых изоляторов.

Преимущество электромагнитного диагностирования по сравнению с

акустическим заключается в повышении чувствительности со снижением

порога напряжения, при котором начинается регистрация ЧР, на 15...20 %.

Например, при подаче высокого напряжения на гирлянду, состоящую из

двух неисправных и одного исправного изоляторов, электромагнитный

сигнал наблюдается уже при 17 кВ, тогда как акустический сигнал

регистрируется с расстояния одного метра ультразвуковым дефектоскопом

Ultraprobe при 20 кВ.

Таким образом, результаты исследований акустического и

электромагнитного излучения ЧР впервые позволили определить

временные и частотные параметры ЧР в фарфоровых изоляторах, при

помощи которых выявлены два диагностических признака неисправных

гирлянд фарфоровых изоляторов [2...5]. В результате проведенных

исследований получены следующие результаты:

• частота следования импульсов электромагнитного излучения ЧР в

фарфоре лежит в диапазоне от 50 до 500 Гц;

• величина заряда ЧР в фарфоре колеблется от 50 до 200 нКл;

• длительность импульсов ЧР в фарфоровых изоляторах лежит в

интервале от 5 до 100 нс;

• основная несущая частота акустического сигнала для фарфора

равна 38…40 кГц;

• величина тока ЧР в фарфоре достигает 10 ампер.

Суть разработанной методики диагностирования заключается в

следующем. На участке железной дороги проводится традиционное

измерение акустического излучения ультразвуковым дефектоскопом типа

УД-8 или его аналогом в соответствии с ПУТЭКС [6]. По возможности

рекомендуется распространенный прибор УД-8 заменить на Ultraprobe в

связи с его повышенной чувствительностью и эргономичностью. Для

принятия решения об обнаружении дефектной гирлянды изоляторов

необходимо выявленные прибором УД-8 (или его аналогом) гирлянды

дополнительно проверить следующими образом.

1. С выхода прибора УД-8 (или его аналога), а также при помощи

электрического датчика типа П3-50 и цифрового осциллографа провести

измерения частоты следования импульсов ЧР по схеме, приведенной на

рис. 1. Приборы и датчики необходимо разместить непосредственно под

интересующей гирляндой изоляторов. Если по двум каналам осциллографа

регистрируется частота следования пачек импульсов 100 Гц и выше, то в

гирлянде остался только один исправный изолятор – такую гирлянду

необходимо срочно менять. Если частота следования импульсов ЧР равна

50 Гц, то в гирлянде два исправных изолятора, и такую гирлянду в

ближайшее время менять не следует, ее необходимо дополнительно

проверить по методике пункта 2.

2. При помощи широкополосной антенны и цифрового осциллографа

класса Tektronix, DSO необходимо измерить спектр электромагнитного

излучения ЧР в частотном диапазоне до 200 МГц. При регистрации

спектра с уровнем напряжения, превышающим 10 мВ, необходимо

исследуемую гирлянду заменить, так как в изоляторах присутствуют

критические заряды, разрушающие фарфор. Если регистрируемый сигнал

меньше критической отметки, то такую гирлянду в ближайшее время

можно не менять.

Измерительную аппаратуру для разработанного метода диагностики

можно размещать в специализированных вагонах-лабораториях, что кроме

повышения эффективности диагностирования ускорит время ее

проведения.

Библиографический список

1. Техника высоких напряжений / под ред. Г.С. Кучинского. – СПб. :

Энергоатомиздат, 2003. – 608 с.

2. Куценко С.М. Характеристики частичных разрядов в изоляторах из фарфора и

поликарбоната / С.М. Куценко, Н.Н. Климов, В.И. Муратов // Известия ТПУ. – 2006.

– В.2. – C. 82–87.

3. Муратов В.И. Параметры частичных разрядов в фарфоровых изоляторах /

В.И. Муратов, Н.Н. Климов, С.М. Куценко // Электрофизика материалов и

установок. – Новосибирск : Сибирская энергетическая академия. – 2006. – С. 299–307.

4. Муратов В.И. Об электромагнитной и акустической эмиссии частичных

разрядов в изоляторах / В.И. Муратов // Вестник ИрГТУ. – № 2. – 2007. – С. 63–65.

5. Муратов В.И. Параметры частичных разрядов в высоковольтных изоляторах /

В.И. Муратов, Н.Н. Климов, С.М. Куценко, В.К. Балханов // Электромагнитные

волны и электронные системы. – № 4. – 2008. – С. 55–59.

6. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети

электрифицированных железных дорог ЦЭ-868. М. : Трансиздат, 2002. – 184 с.