ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)

Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського
національного університету залізничного транспорту, 2020, №
4 (88)



ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ

УДК 621.336.2:629.423.33

А. М. МУХА1*, Д. В. УСТИМЕНКО2*

1*Каф. «Електротехніка та електромеханіка», Дніпровський національний
університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна,
вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 47,
ел. пошта mukha.andrii@gmail.com, ORCID 0000-0002-5629-4058
2*Каф. «Електротехніка та електромеханіка», Дніпровський національний
університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна,
вул. Лазаряна, 2, Дніпро, Україна, 49010, тел. +38 (056) 373 15 47,
ел. пошта ustimenko.1979@gmail.com, ORCID 0000-0003-2984-4381

МЕТОДИКА ОЦІНКИ НАГРІВАННЯ

МІСЦЯ КОНТАКТУ КОНТАКТНОГО

ПРОВОДУ ІЗ ВСТАВКОЮ СТРУМОПРИЙМАЧА

Мета. Основною метою нашої роботи є розробка методики оцінки температури нагрівання зони контактування контактного проводу з контактною вставкою струмоприймача (елемент контактного проводу – елемент контактної вставки струмоприймача, скорочено ЕКП – ЕКВС) для умов стоянки під час підготовки поїзда до рейсу з визначенням граничного струмового навантаження на цей вузол. Методика. Запропоновано розглядати контакт ЕКП – ЕКВС з точки зору класичної теорії електричного контакту й нагрівання однорідного тіла. Результати. Розглянуто особливості теплового стану вузла струмознімання ЕКП – ЕКВС в умовах підготовки електрорухомого складу до рейсу. У рамках дослідження розроблено методику оцінки температури нагрівання зони силового ковзного контакту в умовах підготовки поїзда до рейсу. Застосування методики сприятиме зменшенню кількості перепалювань контактного проводу завдяки точному вибору часу прогрівання/охолодження поїзда для визначеного струму обігріву/кондиціонування в разі підготовки електрорухомого складу до рейсу. Наукова новизна. Установлено, що причиною перепалювань контактного проводу на стоянках під час підготовки поїзда до рейсу є перевищення допустимої температури силового ковзного контакту внаслідок тривалої дії струму обігріву/кондиціонування. На відміну від стандартного підходу до встановлення тривалості обігріву поїзда, запропонована методика враховує додаткові фактори, а саме зношеність та стан контактного проводу, стан контактної вставки струмоприймача. Ця методика базується на класичній теорії електричного контакту та теорії нагрівання однорідного тіла, що дозволяє досить точно оцінити тепловий стан силового ковзного контакту і є досить зручною для використання в умовах експлуатації. Практична значимість. Результати роботи мають практичну цінність, оскільки технологія підготовки поїзда до рейсу може бути доповнена розрахунком температури контакту ЕКП – ЕКВС відповідно до запропонованої методики. Це дозволить для конкретного поїзда в конкретних умовах застосовувати комплекс заходів із недопущення «перепалювань» контактного проводу у випадку вірогідного перевищення температурою допустимого значення.

Ключові слова: контактний провід; контактна вставка; струм обігріву; перепалювання; допустима температура; електричний контакт

Вступ

У наземному електричному транспорті однією з найрозповсюдженіших схем передачі енергії на борт транспортного засобу є силовий ковзний контакт. Цей тип контактів складається з контактного проводу і струмознімальних елементів, які встановлюються на полозах струмоприймачів електрорухомого складу. Умови роботи ковзного контакту є особливо складними й характеризуються широким діапазоном температур навколишнього середовища, наявністю опадів у вигляді дощу та снігу, ожеледиці та паморозі, загазованістю навколишнього середовища і тощо.

Проводи, які використовують для контактної мережі, під час виготовлення протягують у холодному стані, що призводить до збільшення тимчасового опору до розриву й зменшення пластичності [10]. Під час нагрівання провід втрачає ці якості і тим більше, чим вища температура і час її впливу. Втрата міцності так чи інакше пов’язана зі строком служби контактного проводу. Тому відповідно до норм [17, 20] температура проводів контактної мережі у найбільш несприятливих умовах не повинна перевищувати гранично допустимого значення.

Досить частою проблемою під час підготовки поїзда до рейсу є перепалювання контактного проводу у випадку роботи електричної системи опалення вагонів або ж їх кондиціонування. Під дією високих температур мідний контактний провід втрачає механічні властивості і як наслідок, це призводить до його перепалювання, тобто до втрати цілісності й обриву.

Подібні ситуації призводять до суттєвих затримок у графіку руху поїздів, пов’язані з небезпекою ураження електричним струмом персоналу, вимагають додаткових ресурсів для відновлення контактної мережі. У зв’язку з цим аналіз теплового стану силового ковзного контакту й розробка методики розрахунку його температури в описаних умовах є актуальним завданням. Вирішення цього питання буде сприяти зниженню кількості випадків руйнування елементів контактної мережі й дозволить підвищити надійність роботи залізничного транспорту в цілому.

Мета

Основною метою нашої роботи є розробка методики оцінки температури нагрівання зони контактування контактного проводу з контактною вставкою струмоприймача («елемент контактного проводу – елемент контактної вставки струмоприймача», скорочено – ЕКП – ЕКВС) під час підготовки поїзда до рейсу з визначенням граничного струмового навантаження на цей вузол.

Для досягнення поставленої мети були поставлені такі задачі:

визначити набір факторів та умови, що призводять до перепалювання контактного проводу;

розробити методику розрахунку температури силового ковзного контакту ЕКП – ЕКВС.

Методика

Властивості будь-якого електричного контакту визначаються величиною площі контакту, якістю контактної поверхні й контактним тиском. Відомо, що фактична площа контакту складає незначну частку видимої площі дотику, а загальна площа розпадається на безліч окремих плям (α-плями). Таким чином, дискретний характер дотикання твердих тіл є основною причиною підвищеного електричного опору між поверхнями, що контактують [19, 23].

У разі передачі значних струмів через подібні системи в точці контакту виділяється значна кількість тепла, що за певних умов може представляти проблему. Проводи контактної мережі для різного типу підвісок можуть нагріватися струмом до 100...120 ºС, при цьому механічні навантаження становлять від 10 до 21 кН. Короткочасний або тривалий нагрів викликає зниження міцності проводів, що призводить до значного зменшення коефіцієнта запасу міцності [23]. У роботі [6] обґрунтовано величини експлуатаційного термомеханічного навантаження на контактні дроти. Контактний провід, що піддається механічному й термічному навантаженню та зношується в процесі струмознімання, має коефіцієнт запасу 2,5. Результати досліджень [7, 23] використовують автори для визначення граничних умов навантаження для частково зношеного контактного проводу.

Для аналізу контактної пари ЕКП – ЕКВС є необхідним контроль стану контактних поверхонь, а також вимірювання їх фактичних геометричних розмірів. У роботі [30] запропоновано спосіб вимірювання, коли робочу поверхню контактного проводу захоплюють декількома камерами лінійного сканування і в режимі реального часу аналізуються локальний знос. Далі на підставі отриманої інформації проводять остаточний розрахунок зносу контактного проводу. Цей спосіб досить складний з точки зору технічної реалізації, найбільш повно він розкриває свій потенціал за динамічного виміру зносу контактного проводу. В умовах станції в місцях екіпірування й підготовки поїздів більш раціональним є періодичне вимірювання геометрії контактного проводу в контрольних точках. Для цього цілком можна застосувати класичні вимірювальні інструменти, наприклад, мікрометр. Такий спосіб контролю зносу контактного проводу покладено в основу запропонованого методу.

Однією з особливостей ковзного електричного контакту, утвореного контактним проводом та контактною вставкою струмоприймача, є відносно великі величини струмів за досить малих сил контактного натискання. Усе це разом призводить до виділення великої кількості тепла в контакті [13, 28], що у свою чергу викликає різного роду деградації.

У роботі [28] проведено аналіз взаємодії між пантографом і контактним проводом, у результаті було встановлено, що в процесі струмознімання температура контактної точки дуже швидко піднімається й може перевищувати гранично допустиме значення, регламентоване для контактного проводу. Результати [28] корелюються з отриманими результатами та висновками в роботі [13] під час експериментального дослідження роботи електричного контакту ЕКП – ЕКВС в статичному стані.

Сила натискання більшою мірою залежить від швидкості руху електрорухомого складу, а величина площі фактичного контакту між поверхнями контактного проводу та контактної вставки пантографа – від сили, з якою струмоприймач притискає контактну вставку до проводу. Оскільки абсолютно гладких поверхонь не існує, контакт між контактною вставкою та контактним проводом реалізується через так звані контактні містки [4], у результаті чого з’являється контактний опір, величина якого залежить від температури в контакті. Як наслідок протікання через контакт значних струмів з’являється електрична складова зносу, контактні містки плавляться, а матеріал контактного проводу втрачає міцність. Зміни контактного опору пантографа й контактної системи за різного електричного струму й нормальних силах були проаналізовані в статичному контактному стані [27, 29].

Робота [25] присвячена моделюванню контактної взаємодії між контактним проводом і пантографом, де продемонстровано зв’язок між величиною натискання контактної вставки струмоприймача на контактний провід і величиною електричного опору цього вузла.

У ряді робіт [3, 21] показана низька термостійкість безстикових мідних контактних проводів і втрата ними механічних властивостей уже за температур 100 °С та навантаження розтягування 11 кН/мм2. Після 250 год роботи в такому режимі відбувається часткова рекристалізація, після 500 год – деформована структура повністю рекристалізується зі зниженням міцності проводу на 30 % і зменшенням величини його поперечного перерізу.

Під час розгляду механізмів, що призводять до втрати міцності контактним проводом, практично не враховують наявність другого контакту – контактної вставки, а властивості самої вставки, безумовно, впливають на властивості міцності проводу [9]. Пошкоджена поверхня контактної вставки призводить до збільшення контактного опору, а значить – до локального перегріву контактного проводу, при цьому від тривалості перегріву залежить ступінь його знеміцнення. Тому методика повинна врахувати геометрію та якість робочої поверхні як контактного проводу, так і контактної вставки.

У роботі [24] наведені результати моделювання взаємного теплового впливу елементів електричних контактів, причому така модель може застосовуватися і для електричної тяги. Модель підтверджує теплову поведінку системи ЕКП – ЕКВС.

Відомо, що підвищення температури призводить до погіршення механічних властивостей провідникових матеріалів (рис. 1), зміна яких значною мірою залежить від тривалості нагрівання [1].

Повільне (протягом 2 год) нагрівання твердотягненої міді (крива 2, рис. 1) призводить до різкого зменшення межі міцності на розтяг за більш низької температури, ніж під час їх короткочасного (протягом 10 сек) нагрівання (крива 1, рис. 1). Повільне нагрівання твердотягненого мідного стрижня діаметром 50 мм (крива 3, рис. 1) призводить до його рекристалізації в зоні Т = 200 ºС і далі до швидкого зменшення міцності до рівня міцності такого ж стрижня з м’якої міді (крива 4, рис. 1) у зоні Т = 300 ºС.

Рис. 1. Зміна механічних властивостей провідникових матеріалів залежно від температури й часу нагрівання – для твердотягненого мідного дроту за його швидкого охолодження (1) й повільного (2) нагрівання; 3 – для твердотягненого мідного стрижня діаметром 50 мм за повільного нагрівання; 4 – те ж для стрижня з м’якої міді

Fig. 1. Change of mechanical properties of conductive materials depending on temperature and time
of heating – for a hard-drawn copper wire at its fast cooling (
1) and slow (2) heating; 3 – for hard-drawn copper rod with a diameter of 50 mm with slow heating; 4 – is the same for a soft copper rod

З урахуванням вищевикладеного можна припустити, що до групи найбільшого ризику потрапляють ситуації, коли поїзд на стоянці готують до рейсу, при цьому для опалення в зимовий час або кондиціонування в літній час струмоприймач перебуває в піднятому стані. До особливостей такого режиму слід віднести: відсутність обдування місця контакту; тривале протікання струму обігріву через нерухомий контакт.

Усе це дає підстави стверджувати, що доцільним є проведення дослідження, присвяченого аналізу теплових процесів у точці контакту контактного проводу та контактної вставки струмоприймача, а також розробка методики розрахунку його теплової завантаженості саме для умов підготовки поїзда до рейсу.

Норми зимового температурного режиму в пасажирських поїздах далекого прямування складають від 18 до 20 ºС, у приміських – від 11 до 13 ºС. Опалення потрібно вмикати в разі, коли на вулиці температура повітря опускається нижче +10 ºС [9, 17]. Для досягнення зазначених температур необхідно в разі електричного опалення вагонів під час підготовки їх до рейсу тримати струмоприймач у піднятому стані чимало часу, особливо після відстою вагонів. На пасажирських електровозах та електропоїздах постійного струму в разі живлення від струмоприймача ланцюгів електричного опалення поїзда під час стоянки тривалий струм становить 200...300 А і більше [24]. Розглянемо нагрівання контакту ЕКП – ЕКВС, через який проходить струм обігріву:

, (1)

де – число рядів контактних вставок на полозі струмоприймача.

Елемент контактного проводу (ЕКП) має довжину, рівну ширині контактної вставки (рис. 2) [26]. За такої невеликої довжини нерухомого ЕКП виникає небезпека, що в разі проходження струму опалення/кондиціонування через контакт ЕКП – ЕКВС може виникнути нагрівання цього елемента до температури вище допустимого значення.

Рис. 2. Контакт ЕКП – ЕКВС:
1 – поперечений переріз ЕКП з урахуванням його зносу;
2 – поздовжній переріз струмознімальної контактної вставки; 3 – частина перерізу 2, що перебуває
в контакті з ЕКП

Fig. 2. CWECSEP contact:
1 – cross section of CWE taking into account its wear;
2 – longitudinal section of the contact strip of pantogaph;
3 – part of the section 2, which is in contact with the CWE

У зв’язку з цим постає завдання: розробити методику визначення розрахунковим шляхом температури нагрівання ЕКП за різних струмів обігріву/кондиціонування, що проходять через контакт ЕКП – ЕКВС. Цей розрахунок у першу чергу необхідно проводити для критичних умов роботи контакту. Критичні умови – це умови, що сприяють підвищеному нагріванню ЕКП. До таких умов належать:

зношений контактний провід;

зменшення натискання на контактний провід з боку струмоприймача;

температура навколишнього середовища.

Пропонуємо розглянути контакт ЕКП – ЕКВС з точки зору теорії електричного контакту. За конструкцією нерухомий контакт ЕКП – ЕКВС можна віднести до плоских з’єднуваних взаємно нерухомих контактів, аналогічно, наприклад, до болтових контактів [15].

Відповідно до класичної теорії про опір електричного контакту реальний опір твердих поверхонь відбувається в областях, що складаються з окремих плям (дотичних контактних виступів), які розташовані випадково на видимій поверхні дотикання. Для теоретичної оцінки факторів, що впливають на перехідний опір контакту , широкого поширення набули контактні моделі, запропоновані Р. Хольмом, В. Мерло [6, 15]. Для практичних розрахунків використовують емпіричну формулу [16, 18]:

(2)

де – коефіцієнт, що залежить від властивостей матеріалів контактів, Ом·кг; – коефіцієнт, що залежить від числа точок дотику контактних поверхонь; для плоского контакту ; – сила, яка стискає контакти, або контактне натискання, кг.

Контактне натискання складається з трьох складових: статичного натискання струмоприймача, динамічної й аеродинамічної підйомної сили. У нерухомому стані присутнє тільки статичне натискання струмоприймача, яке створюється його робочими пружинами. У загальному випадку у струмоприймачів важкого типу статичне натискання повинно перебувати в межах 90...130 Н, у струмоприймачів легкого типу – 70...110 Н [11, 12].

Беремо, що дотичні площини ЕКП й ЕКВС паралельні одна одній.

Із формули (2) випливає, що електричний опір контакту ЕКП – ЕКВС обернено пропорційний натисканню на контактний провід і не залежить від площі їхнього дотикання. Число точок дотику збільшується в міру зростання натискання. Ця обставина є, поряд зі зменшенням висоти дотичних контактних виступів, однією з причин зменшення опору.

Розв’язок поставленої задачі передбачає тепловий розрахунок контакту з метою визначення температури нагрівання елемента контактного проводу за певних умов експлуатації й порівняння її з допустимою величиною.

Точно розрахувати тепловий процес практично неможливо через різноманіття каналів, по яких відбувається віддача тепла в навколишнє середовище. Розрахунок тепловіддачі ускладнений також нелінійною залежністю кількості тепла, що віддається від температури. У таких умовах доцільно вдатися до ряду припущень і широкого використання експериментальних даних.

Проведення дослідів із метою дослідження всіх видів тепловіддачі від контакту ЕКП – ЕКВС в навколишнє середовище, об’єднання їх в один еквівалентний вид і встановлення загального коефіцієнта тепловіддачі є проблематичними. Тому пропонуємо скористатися залежністю температури поверхні ЕКП від питомого значення потужності, котра виділяється в навколишнє середовище за рахунок конвекції й випромінювання (рис. 3) та наявна в аналогічному типі контактів [16].

Пропонуємо таку методику (алгоритм), розрахунку сталої температури контактного з’єднання ЕКП – ЕКВС:

1. Визначити тип електровоза чи електропоїзда.

2. Визначити тип струмоприймача, кількість рядів струмознімальних контактних пластин на його полозі, матеріал вставки та її геометричні розміри.

3. З’ясувати тип контактного проводу, його знос у відсотках від початкового поперечного перерізу.

4. Знайти перехідний опір одного контакту ЕКП – ЕКВС за мінімального натискання на контактний провід з боку струмоприймача. Для цього використовують розрахункову залежність (2).

5. Визначити значення струму через струмоприймач під час обігріву/кондиціонування поїзда. Рекомендується брати (за результатами замірів у зимовий час в умовах локомотивного депо ТЧ8 м. Дніпро середнє значення струму перебувало на рівні 300 А).

6. Знайти струм обігріву/кондиціонування через контакт ЕКП – ЕКВС. Для цього використовують розрахункову залежність (1).

7. З’ясувати площу поверхні елементу ЕКП П1, з якої віддається тепло за рахунок конвекції та випромінювання, з урахуванням зносу контактного проводу. Геометричні розміри контактного проводу з міді і її сплавів наведено в IEC 62917:2016 [22].


Рис. 3. Залежність температури контакту
ЕКП – ЕКВС від питомої потужності
з поверхні, що віддає тепло

Fig. 3. Dependence of temperature
of CWE – CSEP contact on specific power
from the surface giving off heat

Розмір (рис. 4) [26] характеризує фактичне значення висоти контактного проводу. Його зв’язок із площею поперечного перерізу контактного проводу встановлюють із таблиць, наведених у Додатку 3 Правил будови і технічного обслуговування контактної мережі електрифікованих залізниць [14].

Рис. 4. Поперечний переріз контактного проводу
з урахуванням його зносу

Fig. 4. Cross section of a contact wire taking into
account its wear

Для частково зношеного контактного проводу на його робочій поверхні формується площадка шириною а (рис. 4), половину цього розміру визначають за таким виразом:

, (3)

де .

При цьому кут β й розмір пов’язані тригонометричним співвідношенням . Позначивши через x довжину дуги зношеної ділянки (на рис. 4 ця ділянка заштрихована), визначимо її величину:

. (4)

Якщо через позначити периметр фігури, утвореної поперечним перерізом нового контактного проводу, то периметр цієї ж фігури з деяким зносом буде визначатись як , а значить, площа поверхні ЕКП з якої віддається тепло, може бути визначена так:

, (5)

де l – ширина струмознімальної контактної вставки полоза струмоприймача.

Рис. 5. Елемент контактної вставки
струмоприймача (ЕКВС)

Fig. 5. Element of the contact strip
of
pantograph (ECSP)

8. Обчислити площу поверхні елементу контактної вставки полоза струмоприймача П2, з якої віддається тепло за рахунок конвекції та випромінювання (рис. 5 [26]):

, (6)

де – висота контактної вставки; – торцеві поверхні ЕКВС; – нижня поверхня ЕКВС.

9. Визначити потужність електричних втрат :

, (7)

де – потужність електричних втрат у контакті ЕКП – ЕКВС:

; (8)

– потужність електричних втрат у тілі ЕКП:

, (9)

тут – питомий опір матеріалу контактного проводу; – площа поперечного перерізу ЕКП з урахуванням його зношення; потужність електричних втрат у тілі ЕКВС:

, (10)

де – питомий опір матеріалу контактної вставки; – площа поперечного перерізу ЕКВС з урахуванням зношення.

10. Знайти питому потужність тепловіддачі :

. (11)

11. Розглядаючи ЕКП й ЕКВС як єдину конструкцію з поверхнею тепловіддачі П12, за графіком на рис. 3 визначити температуру поверхні вказаної конструкції.

12. Гранично допустиму температуру для обраного типу контактного проводу взяти з табл. 4 Правил будови і технічного обслуговування контактної мережі електрифікованих залізниць [27].

13. Знайти співвідношення між і . Зробити висновки та надати рекомендації.

Приклад використання методики.

Відповідністо до приведеної методики виконано розрахунок усталеного значення температури контактного з’єднання ЕКП – ЕКВС:

1. Розрахунок виконано для пасажирського електровоза ЧС2.

2. Струмоприймач типу 10РР2, у якого три ряди струмознімальних контактних вставок на полозі (). Матеріал, із якого виготовлені контактні вставки, – графіт; поперечний переріз – квадрат зі стороною 30 мм.

3. Тип контактного проводу БрФ–100 (бронзовий із номінальною площею поперечного перерізу 100 мм2). Контактний провід має гранично допустимий знос, тобто залишкова площа поперечного перерізу на 30 % менша за номінальну ().

4. Мінімальне значення зусилля натискання струмоприймача типу 10РР2 на контактний провід [15].

Коефіцієнт, що залежить від властивостей матеріалів контактів [14]. Перехідний опір контакту ЕКП – ЕКВС:

.

5. Візьмемо тривалий струм під час стоянки .

6. Струм, що протікає через один контакт ЕКП – ЕКВС:

.

7. Скористувавшись формулами (3 – 5), визначаємо площу поверхні елементу ЕКП П1. Для гранично зношеного контактного проводу [14], тоді ;

;

;

.

Експериментально встановлено, що периметр поперечного перерізу нового контактного проводу БрФ–100 дорівнює . Тоді периметр гранично зношеного контактного проводу (зношеність до 70 % від номінальної площі поперечного перерізу) буде дорівнює . Таким чином, , де – ширина контактної вставки струмоприймача.

8. Максимально допустиме зношування графітової контактної вставки по висоті 20 мм, тобто (рис. 5). Площа поверхні ЕКВС П2, з якої віддається тепло:

.

9. Потужність електричних втрат визначаємо, скориставшись формулами (7 – 10):


- потужність електричних втрат у контакті ЕКП – ЕКВС:

;

– потужність електричних втрат у тілі ЕКП:

,

де – питомий електричний опір бронзи;

потужність електричних втрат у тілі ЕКВС:

де – питомий електричний опір графітової контактної вставки; м2 – площа поперечного перерізу ЕКВС з урахуванням зношення;

.

10. Питома потужність тепловіддачі :

11. За графіком на рис. 3 визначаємо температуру поверхні вказаної конструкції – .

12. Гранично допустиме значення температури контактного проводу, що виконаний з бронзи, .

13. Співвідношення – вказує на те, що контактний провід перегрівається і втрачає свої механічні властивості.

Для усунення можливості перегрівання контактного проводу в місці контакту з контактними вставками струмоприймача рекомендуємо під час обігріву чи кондиціонування поїзда на стоянці піднімати два струмоприймачі. У такому випадку .

Якщо провести аналогічні розрахунки для незношеного контактного проводу (середній знос по площі поперечного перерізу не перевищує 15 %) і нової контактної вставки, отримаємо:

;

. Із графіка на рис. 3 ; – контактний провід не перегрівається.

Результати

Зазначена проблема перепалювання контактного проводу в місцях підготовки поїздів до рейсу пояснюється його локальним перегріванням і втратою механічної міцності.

Результати даної роботи, а саме методологія, дозволяють в умовах експлуатації оперативно визначати тепловий стан ковзного контакту ЕКП – ЕКВС під час підготовки поїзда до рейсу [26]. Стандартний підхід визначення тривалості обігріву/кондиціонування базується на усереднених значеннях навантажень на систему і тому не враховує деяких факторів, наприклад, стан контактного проводу, стан контактної вставки струмоприймача, кількість вагонів у поїзді тощо. Запропонована методика базується на класичній теорії електричного контакту й теорії нагрівання однорідного тіла, що дозволяє досить точно оцінити тепловий стан силового ковзного контакту і є досить зручною для використання в умовах експлуатації.

Методика не вимагає значних розрахунків, за вихідні дані виступає інформація, доступна до вимірювання та контролю силами станції або депо. Необхідно відзначити, що в розрахунках формула (2) не враховує ступінь забрудненості робочої поверхні контактного проводу, а отже, в умовах реальної експлуатації величина може дещо перевищувати розрахункове значення.

Особливістю методики можна вважати необхідність мати залежність температури контакту ЕКП – ЕКВС від питомої потужності з поверхні, що віддає тепло. Отримання такої залежності є окремим завданням, яке може бути вирішене в перспективі.

До недоліків слід віднести обмеженість застосування цієї методики тільки умовами підготовки поїзда на стоянці.

Робота має прикладний аспект, оскільки дає можливість удосконалення типового технологічного процесу – технології підготовки поїзда до рейсу. При цьому представлений матеріал є частиною більш ґрунтовної роботи, спрямованої на підвищення ефективності та надійності роботи електрифікованого залізничного транспорту, а саме вирішення проблем, пов’язаних із передачею електроенергії на борт транспортного засобу за допомогою силового ковзного контакту.

Наукова новизна та практична
значимість

1. Аналіз результатів розрахунку дає можливість розробити заходи щодо запобігання перегріву зазначеного елементу контактного проводу. Розрахунок необхідно проводити за умов, що сприяють перегріву цього елементу.

2. Установлено, що основними факторами, що визначають величину струму, за якого може відбутися перепалювання контактного проводу, є: тип рухомого складу, тип контактного проводу, матеріал контактної вставки струмоприймача.

3. Запропонована методика враховує ступінь зношеності контактного проводу та стан контактних вставок струмоприймача на відміну від наявих підходів під час розрахунків теплового стану контакту.

4. Доповнивши стандартні інструкції з підготовки поїзда до рейсу запропонованою методикою оцінки теплового стану вузла струмознімання ЕКП – ЕКВС, можна розраховувати на зниження кількості випадків руйнування елементів контактної мережі, що дозволить підвищити надійність роботи залізничного транспорту в цілому.

Висновки

На базі класичної теорії електричного контакту та теорії нагрівання однорідного тіла розроблено методику розрахунку температури нагрівання місця контакту контактного проводу з контактною вставкою струмоприймача в мовах підготовки поїзда до рейсу. У цих умовах мають місце такі особливості роботи ковзного контакту:

контакт ЕКП – ЕКВС нерухомий, що погіршує умови тепловіддачі в навколишнє середовище, оскільки він не обдувається;

через контакт протікає тривалий час струм, що витрачається на обігрів чи кондиціонування (близько 300 А).

Критичним для роботи контакту ЕКП – ЕКВС в означених умовах є стан контактного проводу та контактної вставки. Розрахунки показують, що для бронзового контактного проводу, залишкова площа поперечного перерізу якого зменшилась на 30 % порівняно з її номінальною величиною, температура контакту складе , а це перевищує гранично допустиме значення на 20 % та однозначно призводить до деградації контактного проводу (втрата міцності і, як наслідок, обрив).

Робота має чітко виражений прикладний характер і спрямована на вдосконалення типового технологічного процесу – технології підготовки поїзда до рейсу. Оцінка теплового стану вузла струмознімання ЕКП – ЕКВС в процесі підготовки поїзда до рейсу – це ще один фактор, що сприятиме зниженню кількості випадків руйнування елементів контактної мережі та дозволить підвищити надійність роботи залізничного транспорту в цілому.


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

  1. Александров Г. Н. Теория электрических аппаратов : учебник для вузов. Санкт-Петербург : Издательство СПбГТУ, 2000. 540 с.

  2. Беляев И. А. Машинисту о контактной сети и токосъеме. Москва : Транспорт, 1986. 128 с.

  3. Берент В. Я. Совершенствование проводов контактной сети. Вестник ВНИИЖТ. 2012. № 3. С. 4045.

  4. Большаков Ю. Л., Гершман И. С., Сыченко В. Г. Перспективные направления создания современных углеродных материалов для вставок токоприемников электротранспорта. Електрифікація транспорту. 2013. № 5. С. 19–24. DOI: 10.15802/etr.v0i5.24302

  5. ДСТУ ГОСТ 32204:2016. Токоприемники железнодорожного электроподвижного состава. [Чинний від 2016-10-01]. Москва : Стандартинформ, 2014. 24 с.

  6. ДСанПіН 7.7.2-015-99. Експлуатація рухомого складу залізничного транспорту для пасажирських перевезень : постанова ГДСЛУ 15 від 09.02.1999.

  7. Емельянова М. Н. Обоснование механической величины эксплуатационной термомеханической нагрузки на провода контактной сети. Известия Транссиба. 2014. № 2 (18). С. 5560.

  8. Захарченко Д. Д. Тяговые электрические аппараты. Москва : Транспорт, 1991. 247 с.

  9. Ли В. Н., Матыцын Е. В. Определение качества изготовления угольных вставок токоприемников.Електрифікація транспорту. 2012. № 3. С. 71–73. DOI: 10.15802/etr.v0i3.17996

  10. Марквардт К. Г. Контактная сеть : учебник для вузов железнодорожного транспорта. Москва : Транспорт, 1994. 335 с.

  11. Мерл В. Электрический контакт. Теория и применение на практике. Москва–Ленинград : Госэнергоиздат, 1962. 80 с.

  12. Таев И. С. Основы теории электрических аппаратов : учебник для вузов. Москва : Высш. шк., 1987. 352 с.

  13. Паранин А. В., Акиньшин Н.А., Батрашов А.Б. Экспериментальное исследование работы электрического контакта «контактный провод – токосъемная пластина» в статическом положении. Транспорт Урала. 2013. № 4 (39). С. 9396.

  14. Правила устройства и технического обслуживания контактной сети электрифицированных железных дорог : ЦЕ-0023 : утвержденных Приказом Укрзализныци от 20.11.2007г. № 546-Ц. Киев.

  15. Раков В. А. Пассажирский электровоз ЧС2. Москва : Транспорт, 1976. 320 с.

  16. Тепловой расчет контактного соединения проводников. URL: http://elektroas.ru/teplovoj-raschet-kontaktnogo-soedineniya-provodnikov (дата звернення 19.06.2020).

  17. Укрзалізниця готує швидкісні поїзди на зиму. URL: http://elektroas.ru/teplovoj-raschet-kontaktnogo-soedineniya-provodnikov (дата звернення 19.06.2020).

  18. Хольм Р. Электрические контакты. Москва : Иностранная литература, 1961. 464 с.

  19. Яндович В. Н., Сыченко В. Г., Антонов А. В. Сравнительный анализ контактных подвесок в странах Евросоюза и Украины : организация надежного токосъема. Електрифікація транспорту. 2014. № 7. С. 67–77. DOI: 10.15802/etr.v0i7.42304

  20. EN 50119:2020. Railway applications. Fixed installations. Electric traction overhead contact lines. European Standard, CELENEC, 2020. 108 p.

  21. Grandin M., Wiklund U. Influence of mechanical and electrical load on a copper/copper-graphite sliding electrical contact. Tribology International. 2018. Vol. 121. P. 1–9. DOI: 10.1016/j.triboint.2018.01.004

  22. IEC 62917:2016 Railway applications – Fixed installations – Electric traction – Copper and copper alloy grooved contact wires. DS, 2016. 102 p.

  23. Kiessling F., Puschmann R., Schmieder A., Schneider E. Contact Lines for Electric Railways : Planning, Design, Implementation, Maintenance, 3rd Edition. Wiley Publishers, 2017. 994 p.

  24. Plesca A. Thermal analysis of sliding electrical contacts with mechanical friction in steady state conditions. International Journal of Thermal Sciences. 2014. Vol. 84. P. 125–133. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2014.05.009

  25. Shimanovsky A., Yakubovich V., Kapliuk I. Modeling of the Pantograph – Catenary Wire Contact Interaction. Procedia Engineering. 2016. Vol. 134. P. 284–290. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.01.009

  26. Ustymenko D., Kuznetsov V., Marenych O., Kovzel M., Mukha A., Sinkevych O., Tryputen M., Mohammad Ahmad Diab Al Said Ahmad. Development of a Method of Calculating the Temperature of a Survey Assembly When Preparing a Train Dispatch. IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET) (Lviv – Slavske, 25–29 February 2020). P. 600–605. DOI: 10.1109/TCSET49122.2020.235502

  27. Wang W., Dong A., Wu G., Gao G., Zhou L. Study on Characterization of Electrical Contact between Pantograph and Catenary. In Proceedings of the 2011 IEEE 57th Holm Conference on Electrical Contacts (Minneapolis, 11–14 September 2011). P. 1–6. DOI: 10.1109/HOLM.2011.6034815

  28. Wu G., Wei W., Gao G., Wu J., Zhou Y. Evolution of the electrical contact of dynamic pantograph–catenary system. Journal of Modern Transportation. 2016. Vol. 24. P. 132–138.DOI: 10.1007/s40534-016-0099-1

  29. Xuan G., Wenzheng L., Zhongping Y., Yifei W. The study on electrical temperature characteristics of high-speed pantograph. 2014 IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific). 2014. P. 1–4. DOI: 10.1109/ITEC-AP.2014.6941014

  30. You C. X. A Study on Dynamic Measurement System of Contact Wire Wear in Electrified Railway. Procedia Computer Science. 2019. Vol. 154. P. 210–220. DOI: 10.1016/j.procs.2019.06.032

А. М. МУХА1*, Д. В. УСТИМЕНКО2*

1*Каф. «Электротехника и электромеханика», Днипровский национальный
университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна,
ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 47,
эл. почта mukha.andrii@gmail.com, ORCID 0000-0002-5629-4058
2*Каф. «Электротехника и электромеханика», Днипровский национальный
университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна,
ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 47,
эл. почта ustimenko.1979@gmail.com, ORCID 0000-0003-2984-4381

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАГРЕВА МЕСТА

КОНТАКТА КОНТАКТНОГО ПРОВОДА

СО ВСТАВКОЙ ТОКОПРИЕМНИКА

Цель. Основной целью нашей работы является разработка методики оценки температуры нагрева зоны контакта контактного провода с контактной вставкой токоприемника (элемент контактного провода – элемент контактной вставки токоприемника, сокращенно – ЭКП – ЭКВТ) для условий стоянки при подготовке поезда к рейсу с определением предельной токовой нагрузки на данный узел. Методика. Предложено рассматривать контакт ЭКП – ЭКВТ с точки зрения классической теории электрического контакта и нагрева однородного тела. Результаты. Рассмотрены особенности теплового состояния узла токосъема ЭКП – ЭКВТ в условиях подготовки электроподвижного состава к рейсу. В рамках исследования разработана методика оценки температуры нагрева зоны силового скользящего контакта в условиях подготовки поезда к рейсу. Применение методики будет способствовать уменьшению количества пережигов контактного провода благодаря точному выбору времени прогрева/кондиционирования поезда для определенного тока обогрева/кондиционирования при подготовке электроподвижного состава к рейсу. Научная новизна. Установлено, что причиной пережигов контактного провода на стоянках при подготовке поезда к рейсу является превышение допустимой температуры силового скользящего контакта в результате длительного действия тока обогрева/кондиционирования. В отличие от стандартного подхода по установлению продолжительности обогрева поезда, предложенная методика учитывает дополнительные факторы, а именно износ и состояние контактного провода, состояние контактной вставки токоприемника. Данная методика базируется на классической теории электрического контакта и теории нагрева однородного тела, что позволяет достаточно точно оценить тепловое состояние силового скользящего контакта, и является достаточно удобной для использования в условиях эксплуатации. Практическая значимость. Результаты работы имеют практическую ценность, поскольку технология подготовки поезда к рейсу может быть дополнена расчетом температуры контакта ЭКП – ЭКВТ в соответствии с предложенной методикой. Это позволит для конкретного поезда в конкретных условиях применять комплекс мер по недопущению пережига контактного провода в случае возможного превышения температурой допустимого значения.

Ключевые слова: контактный провод; контактная вставка; ток обогрева; пережиг; допустимая температура; электрический контакт

А. М. MUKHA1*, D. V. USTYMENKO2*

1*Dep. «Electrical Engineering and Electromechanics», Dnipro National
University named after Academician V. Lazaryan, Lazaryana St., 2,
Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 47,
e-mail mukha.andrii@gmail.com,
ORCID 0000-0002-5629-4058
2*Dep. «Electrical Engineering and Electromechanics», Dnipro National
University named after Academician V. Lazaryan,
Lazaryana St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 47
,
e-mail ustimenko.1979@gmail.com,
ORCID 0000-0003-2984-4381

ESTIMATION METHODOLOGY OF HEATING

THE CONTACT PLACE OF CONTACT

WIRE WITH CONTACT STRIP OF PANTOGRAPH

Purpose. The main purpose of our work is to develop a method for assessing the heating temperature of the contact area of contact wire with contact strip of pantograph (the contact wire element – the contact strip element of pantograph, in abbreviated form – CWE – CSEP) for parking conditions when preparing the train for the trip with the determination of the maximum current load on given node. Methodology. We proposed to consider the CWE – CSEP contact from the point of view of the classical theory of electrical contact and heating of a homogeneous body. Findings. The features of thermal state of the current collection unit of CWE – CSEP in the conditions of preparing the electric rolling stock for the trip are considered. Within the framework of the study a methodology for assessing the heating temperature of the zone of power sliding contact in the conditions of train preparation for the trip has been developed. The application of the methodology will help reduce the number of burnings through of the contact wire due to the precise choice of the heating/conditioning time of the train for a certain heating/conditioning current when preparing the electric rolling stock for the trip. Originality. It has been established that the reason for burnings through the contact wire in stalls when preparing the train for the trip is the excess of permissible temperature of the power sliding contact as a result of prolonged action of the heating/conditioning current. In contrast to the standard approach for determining the duration of the train heating, the proposed methodology takes into account additional factors, namely, the wear and condition of the contact wire, condition of contact strip of the pantograph. This methodology is based on the classical theory of electrical contact and the theory of heating a homogeneous body, which allows accurate assessment of the thermal state of a power sliding contact, and is convenient enough for use in operating conditions. Practical value. The results of the work are of practical value, since the technology of preparing a train for a trip can be supplemented by calculating the temperature of the CWE – CSEP contact in accordance with the proposed methodology. This will allow applying a set of measures to prevent burnings through of the contact wire in case of possible temperature exceeding the permissible value for a specific train in specific conditions.

Keywords: contact wire; contact strip; heating current; burning through; permissible temperature; electrical contact

REFERENCES

  1. Aleksandrov, G. N. (2000). Teoriya elektricheskikh apparatov: uchebnik dlya vuzov. Saint Petersburg: Izdatel-stvo SPbGTU. (in Russian)

  2. Belyaev, I. A. (1986). Mashinistu o kontaktnoy seti i tokoseme. Moscow: Transport. (in Russian)

  3. Berent, V. Ya. (2012). Upgrading catenary wires. VNIIZHT Scientific Journal, 3, 40-45. (in Russian)

  4. Bolshakov, Y. L., Gershman, I. S., & Sichenko, V. G. (2013). Perspective directions of development of modern carbon materials for electric surface inserts. Electrification of Transport, 5, 19-24. DOI: 10.15802/etr.v0i5.24302 (in Russian)

  5. Tokopriemniki zheleznodorozhnogo elektropodvizhnogo sostava, 24 DSTU GOST 32204-2016 (2014). (in Ukrainian)

  6. Ekspluataciya ruxomogo skladu zalizny`chnogo transportu dlya pasazhy`rs`ky`x perevezen`. DerzhSanPin 7.7.2-015-99 (1999). (in Ukrainian)

  7. Emelianova, M. N. (2014). Substantiation of mechanical value of operating thermo-mechanical loads on the overhead contact system wires. Journal of Transsib Railway Studies, 2(18), 55-60. (in Russian)

  8. Zakharchenko, D. D. (1991). Tyagovye elektricheskie apparaty. Moscow: Transport. (in Russian)

  9. Lee, V. N., & Matytsyn, Ye. V. (2012). Determination of the quality of manufacturing carbon inserts pantographs. Electrification of Transport, 3, 71-73. DOI: 10.15802/etr.v0i3.17996 (in Russian)

  10. Markvardt, K. G. (1994). Kontaktnaya set: uchebnik dlya vuzov zheleznodorozhnogo transporta. Moscow: Transport. (in Russian)

  11. Merl, V. (1962). Elektricheskiy kontakt. Teoriya i primenenie na praktike. Moscow-Leningrad: Gosenergoizdat. (in Russian)

  12. Taev, I. S. (1987). Osnovy teorii elektricheskikh apparatov: uchebnik dlya vuzov Moscow: Vysshaya shkola. (in Russian)

  13. Paranin, A. V., Akinshin, N. A., & Batrashov, A. B. (2013). Experimental studies of operation of electrical contact «catenary wire-collecting plates» in static position. Transport Urala, 4(39), 93-96. (in Russian)

  14. Pravila ustroystva i tekhnicheskogo obsluzhivaniya kontaktnoy seti elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog : TsYe-0023, No. 546-Ts (2007). Kiev. (in Russian)

  15. Rakov, V. A. (1976). Passazhirskiy elektrovoz ChS2. Moscow: Transport. (in Russian)

  16. Teplovoy raschet kontaktnogo soedineniya provodnikov. Retrieved from http://elektroas.ru/teplovoj-raschet-kontaktnogo-soedineniya-provodnikov (in Russian)

  17. Ukrzaliznytsia hotuie shvydkisni poizdy na zymu. Retrieved from https://lb.ua/society/2012/10/25/175908_ukrzaliznitsya_gotovit_skorostnie.html (in Ukrainian)

  18. Kholm, R. (1961). Elektricheskie kontakty. Moscow: Inostrannaya literatura. (in Russian)

  19. Yandovich, V. N., Sychenko, V. G., & Antonov, A. V. (2014). The comparative analysis of the catenaries in the European union and Ukraine: The organization of a reliable current collection. Electrification of Transport, 7, 67-77. (in Russian)

  20. Railway applications. Fixed installations. Electric traction overhead contact lines, 108 EN 50119:2020 (2020). (in English)

  21. Grandin, M., & Wiklund, U. (2018). Influence of mechanical and electrical load on a copper/copper-graphite sliding electrical contact. Tribology International, 121, 1-9. DOI: 10.1016/j.triboint.2018.01.004 (in English)

  22. Railway applications-Fixed installations-Electric traction-Copper and copper alloy grooved contact wires, 102 IEC 62917:2016 (2016). (in English)

  23. Kiessling, F., Puschmann, R., Schmieder, A., & Schneider, E. (2017). Contact Lines for Electric Railways: Planning, Design, Implementation, Maintenance, 3rd Edition. Wiley Publishers. (in English)

  24. Plesca, A. (2014). Thermal analysis of sliding electrical contacts with mechanical friction in steady state conditions. International Journal of Thermal Sciences, 84, 125-133. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2014.05.009 (in English)

  25. Shimanovsky, A., Yakubovich, V., & Kapliuk, I. (2016). Modeling of the Pantograph-Catenary Wire Contact Interaction. Procedia Engineering, 134, 284-290. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.01.009 (in English)

  26. Ustymenko, D., Kuznetsov, V., Marenych, O., Kovzel, M., Mukha, A., Sinkevych, O., Tryputen, M., & Mohammad, Ahmad Diab Al Said Ahmad. (2020). Development of a Method of Calculating the Temperature of a Survey Assembly When Preparing a Train Dispatch. IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET) (pp. 600-605). Lviv-Slavske, Ukraine. DOI: 10.1109/TCSET49122.2020.235502 (in English)

  27. Wang, W., Dong, A., Wu, G., Gao, G., & Zhou, L. (2011). Study on Characterization of Electrical Contact between Pantograph and Catenary. In Proceedings of the 2011 IEEE 57th Holm Conference on Electrical Contacts (pp. 1-6). Minneapolis, USA. DOI: 10.1109/HOLM.2011.6034815 (in English)

  28. Wu, G., Wei, W., Gao, G., Wu, J., & Zhou, Y. (2016). Evolution of the electrical contact of dynamic pantograph–catenary system. Journal of Modern Transportation, 24(2), 132-138. DOI: 10.1007/s40534-016-0099-1 (in English)

  29. Xuan, G., Wenzheng, L., Zhongping, Y., & Yifei, W. (2014). The study on electrical temperature characteristics of high speed pantograph. 2014 IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), 1-4. DOI: 10.1109/ITEC-AP.2014.6941014 (in English)

  30. You, C. X. (2019). A Study on Dynamic Measurement System of Contact Wire Wear in Electrified Railway. Procedia Computer Science, 154, 210-220. DOI: 10.1016/j.procs.2019.06.032 (in English)


Надійшла до редколегії: 28.02.2020

Прийнята до друку: 30.07.2020

Creative Commons Attribution 4.0 International

doi: 10.15802/stp2020/213178
© А. М. Муха, Д. В. Устименко, 2020



Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

 

ISSN 2307–3489 (Print)
ІSSN 2307–6666 (Online)