Аннотация
Секционный изолятор — ключевой элемент гибкой контактной подвески городского рельсового транспорта, обеспечивающий электрическое разделение соседних участков питания и механическое соединение; его состояние непосредственно влияет на качество токосъёма, надёжность электроснабжения и регулярность движения. По мере роста протяжённости линий, увеличения плотности движения и усложнения условий эксплуатации секционный изолятор из-за особенностей конструкции и сопряжения с динамическими режимами стал уязвимым звеном с высокой частотой отказов контактной сети. В статье на примерах трамвая района Сунцзян в Шанхае и городского рельсового транспорта Чэнду, с учётом накопленного инженерного опыта, рассмотрены макроскопические проявления и микроскопические механизмы пяти типичных видов отказов: электрического пробоя изоляции, аномального износа токопроводящих полозов, дугового разряда при взаимодействии токоприёмника и сети, механической деформации и ослабления крепежа. Анализ показывает, что первопричиной деградации оборудования является совместное действие старения материала, ошибок монтажа и регулировки, нарушения динамического согласования токоприёмника с контактной сетью и загрязнения окружающей среды. На этой основе построен комплексный порядок обследования, объединяющий визуальный обход, точное измерение параметров и онлайн-мониторинг, а также предложены стратегии оптимизации обслуживания по четырём направлениям: дифференцированный ремонт, интеллектуальные обходы, совершенствование материалов и конструкции, цифровое управление полным жизненным циклом. Исследование показывает, что переход от «планово-периодического ремонта» к «прогнозному обслуживанию по результатам мониторинга состояния» в сочетании с инфракрасной термометрией, онлайн-контролем частичных разрядов и технологиями распознавания изображений на базе искусственного интеллекта позволяет существенно повысить способность к раннему выявлению скрытых дефектов; при этом оптимизация конструкции секционного изолятора и тщательная регулировка при монтаже являются ключом к снижению частоты отказов на уровне источника. Полученные выводы могут служить техническим ориентиром для обслуживания контактной сети городского рельсового транспорта и имеют инженерную ценность для повышения надёжности системы «токоприёмник — контактная сеть» и снижения затрат на обслуживание в течение полного жизненного цикла.
Ключевые слова: городской рельсовый транспорт; секционный изолятор; механизм отказа; взаимодействие токоприёмника и контактной сети; ремонт по состоянию; интеллектуальное обслуживание
1. Введение
1.1 Актуальность и значимость исследования
В последние годы строительство городского рельсового транспорта в Китае развивается быстрыми темпами: масштабы сети и интенсивность пассажиропотоков занимают одно из ведущих мест в мире. Контактная сеть является единственной системой питания подвижного состава, и её надёжная и стабильная работа служит основой эффективного функционирования всей сети. В гибкой контактной подвеске для обеспечения гибкости секционирования питания, надёжности отключения повреждённых участков и безопасности ремонтных работ необходимо предусматривать устройства электрического секционирования между анкерными участками, на стрелочных переводах станций, на оборотных тупиках, на выездных путях депо и между различными плечами питания. Секционный изолятор является ключевым элементом таких устройств: он должен обеспечивать как электрическое разделение, так и плавный механический проход токоприёмника, поэтому его характеристики непосредственно определяют качество токосъёма.
Однако секционный изолятор имеет сложную конструкцию, изготавливается из разнородных материалов и работает в тяжёлых условиях, из-за чего его традиционно считают «узким местом» контактной сети. По сравнению с обычным участком контактного провода он обладает большой собственной массой, создаёт сосредоточенную нагрузку в точке подвеса и нарушает равномерность эластичности контактной подвески; в местах стыка токопроводящих полозов с контактным проводом легко образуются жёсткие точки, при проходе токоприёмника возникают удары и скачки контактного нажатия; изоляционные элементы, длительно подвергаясь воздействию солнечной радиации, атмосферных осадков, загрязнений и знакопеременных электродинамических усилий, склонны к старению материала и снижению изоляционных свойств. По статистике отказов основных операторов городского рельсового транспорта Китая на отказы секционного изолятора приходится около 15~20 % общего числа отказов контактной сети, причём они чаще всего проявляются внезапным пережогом от дуги или механическим разрушением, что может привести к отключению питания контактной сети, срыву токоприёмника и другим авариям, вызывая перерыв в движении и значительный экономический ущерб.
Поэтому глубокий анализ видов отказов и механизмов их развития, поиск научно обоснованных и эффективных методов обследования, а также разработка целенаправленных стратегий оптимизации обслуживания являются как насущной инженерной потребностью служб электроснабжения городского рельсового транспорта, так и важным направлением перехода технического обслуживания контактной сети от аварийно-восстановительных работ к прогнозированию состояния и активной защите.
1.2 Состояние исследований в стране и за рубежом
В европейских странах, прежде всего в Германии и Франции, исследования секционных изоляторов начались раньше; основное внимание уделялось атмосферостойкости материалов и аэродинамическим свойствам конструкции. Продукция швейцарской компании AF, французской компании Galand и ряда других производителей широко применялась в первых проектах городского рельсового транспорта Китая, однако её конструкция рассчитывалась исходя из европейских климатических условий и плотности движения, поэтому в китайских условиях высокой интенсивности движения и больших токов сохраняются такие проблемы, как ускоренный износ токопроводящих полозов. В последние годы китайские исследователи и инженерно-технические работники выполнили большой объём работ по этой проблеме: Цянь Юйшэн и др. классифицировали характерные отказы секционных изоляторов контактной сети городского рельсового транспорта и проанализировали их причины; У Чэнчэнь, Гао Пэнфэй и др. проанализировали технические характеристики контактной сети и указали на опасность локальной коррозии секционного изолятора и неудовлетворительного состояния его регулировки; Ли Ювэй на примере трамвая района Сунцзян в Шанхае рассмотрел меры борьбы с дуговым разрядом и износом секционного изолятора в контактной подвеске простого типа. В части технологий обслуживания по мере реализации программы «умного городского рельсового транспорта» в Чэнду, Шанхае и Гуанчжоу начали применяться интеллектуальные системы обхода контактной сети и устройства онлайн-мониторинга взаимодействия токоприёмника и сети, что повышает эффективность осмотров за счёт изображений высокого разрешения и объединения разнородных данных.
В целом существующие работы посвящены преимущественно качественному описанию отдельных отказов и мерам реагирования, тогда как систематический анализ микроскопических механизмов отказов и процессов их многофакторного взаимодействия отсутствует; стратегии обслуживания по-прежнему основаны главным образом на периодических ремонтах, а исследования совместного применения интеллектуального онлайн-мониторинга и управления полным жизненным циклом недостаточны. В настоящей работе предпринята попытка на основе сочетания теоретического анализа и типичных примеров построить систему анализа отказов и оптимизации обслуживания секционных изоляторов.
2. Конструкция, функции и принцип работы секционного изолятора
2.1 Состав конструкции и свойства материалов
Секционные изоляторы, применяемые в гибкой контактной подвеске городского рельсового транспорта, выпускаются различных типоразмеров, однако их базовая конструкция сходна и включает следующие элементы.
Основной изоляционный элемент — ключевой узел, обеспечивающий электрическое секционирование. Традиционные литые изделия из эпоксидной смолы обладают повышенной механической прочностью, но плохо противостоят ультрафиолетовому излучению: при длительной работе на открытом воздухе на поверхности образуются микротрещины, а низкая гидрофобность способствует перекрытию токами утечки в условиях влажного загрязнения. Композитные кремнийорганические изоляторы с несущим стеклопластиковым стержнем на эпоксидной основе и наружными юбками из высокотемпературной силиконовой резины обладают хорошей гидрофобностью и способностью к её миграции, что позволяет существенно повысить стойкость к загрязнённому перекрытию; кроме того, они легче и лучше противостоят старению, снижая сосредоточенную нагрузку на подвеску.
Токопроводящие полозы (токопроводящие пластины) обычно изготавливаются прессованием из медного сплава и устанавливаются с чередованием длинных и коротких полозов; их нижняя поверхность должна быть совмещена с нижней поверхностью контактного провода, чтобы обеспечить плавный проход угольной вставки токоприёмника. Электропроводность, твёрдость и износостойкость материала непосредственно определяют качество прохода и срок службы.
Дугогасительные рога (роговой промежуток) расположены на обоих концах основного изолятора, изготавливаются из латуни или медного сплава и образуют воздушный промежуток, обычно не менее 300mm. Их назначение — при отрыве токоприёмника от сети или при коммутационных перенапряжениях направлять дугу, растягивая её в промежутке между рогами до гашения, и защищать поверхность основного изолятора от дуговой эрозии.
Соединительные и подвесные элементы — стыковые зажимы, монтажные основания, зажимы подвесных тросов или струн и др.; изготавливаются преимущественно из нержавеющей стали или алюминиевого сплава, обеспечивают механическое соединение и передачу натяжения, а с помощью V-образных подвесов и аналогичных устройств регулируют горизонтальность и высоту.
2.2 Динамика процесса прохода токоприёмника
Отказы секционных изоляторов в большинстве случаев обусловлены динамическим взаимодействием при проходе токоприёмника. Поскольку собственная масса секционного изолятора обычно составляет 10~20 kg и значительно превышает массу контактного провода той же длины, эластичность контактной подвески в этом месте ухудшается, а коэффициент эластичности становится неравномерным. Под действием подъёмного усилия токоприёмника контактный провод поднимается на разную величину до и после секционного изолятора, что вызывает резкие колебания контактного нажатия.
В идеальном случае угольная вставка токоприёмника должна одновременно касаться контактного провода с одной стороны и токопроводящего полоза либо одновременно полозов с обеих сторон, обеспечивая плавную передачу тока. При наличии разности высот между полозом и контактным проводом токоприёмник испытывает мгновенный механический удар и высокочастотные колебания, что приводит к отрыву от сети. При отрыве ток поддерживается через воздушный промежуток, образуя дугу. Пусковой ток поезда городского рельсового транспорта достигает нескольких тысяч ампер, поэтому дуга обладает большой энергией и высокой температурой, вызывая эрозию полозов и контактного провода с образованием кратеров и оплавленных пятен вплоть до пережога полоза. Механический удар и дуговая эрозия взаимно усиливают друг друга и ускоряют износ полоза.
Кроме того, на концах секционного изолятора существует разность потенциалов, достигающая нескольких сотен вольт при питании от разных секций или при перекрытом питании. Проход токоприёмника эквивалентен коммутации цепи под нагрузкой, а переключение точки токосъёма также способствует возникновению дуги. Перечисленные динамические процессы требуют от секционного изолятора высокой точности конструкции, монтажной регулировки и выбора материалов.
3. Типичные виды отказов секционного изолятора и механизмы их развития
По данным длительной эксплуатации ряда линий городского рельсового транспорта Китая отказ секционного изолятора обусловлен не внезапным изменением одного фактора, а сочетанием постепенных и внезапных процессов при взаимодействии нескольких физических полей. Ниже рассмотрены механизмы развития пяти типичных видов отказов.
3.1 Пробой и старение изоляционных элементов
Отказ изоляционных элементов является важной непосредственной причиной отключения питания при аварии, причём его развитие обычно занимает длительное время.
В процессе эксплуатации частицы угольной пыли, промышленной пыли, солевого тумана и другие загрязнения постепенно осаждаются на поверхности основного изолятора, образуя слой загрязнения. В сухих условиях сопротивление загрязнённого слоя велико и его влияние на работу незначительно; однако при высокой влажности — в тумане, при моросящем дожде или таянии снега — растворимые соли загрязнения растворяются в плёнке воды, образуя проводящий слой, и ток утечки резко возрастает. Из-за неравномерной гидрофобности поверхности и неравномерного распределения загрязнения ток утечки распределяется неравномерно. В зонах повышенной плотности тока джоулево тепло испаряет водяную плёнку и образуется сухая зона; сопротивление сухой зоны резко возрастает, и она воспринимает большую часть напряжения, что приводит к местному усилению поля. Когда напряжённость поля превышает пробивную прочность воздуха, в сухой зоне возникает частичный разряд. Высокая температура разряда вызывает термическое разложение и карбонизацию органического изоляционного материала с постепенным образованием древовидных проводящих каналов. По мере удлинения таких каналов эффективное изоляционное расстояние сокращается, и в конечном итоге при рабочем напряжении происходит перекрытие с пробоем, вызывающее отключение подстанции.
Свойства материала существенно влияют на описанный процесс. На поверхности эпоксидной смолы легко образуется плёнка воды, которая плохо мигрирует, поэтому в загрязнённой влажной среде перекрытие возникает наиболее легко; силиконовая резина гидрофобна, но для восстановления гидрофобности требуется время, а при длительном воздействии коронного разряда она её теряет, материал мелеет и растрескивается, в результате чего изоляционные свойства утрачиваются. Ультрафиолетовое излучение дополнительно ускоряет разрыв боковых цепей силиконовой резины, делая её жёсткой и хрупкой.
3.2 Аномальный износ и пережог токопроводящих полозов
Аномальный износ токопроводящих полозов — наиболее часто встречающийся электромеханический отказ секционного изолятора, непосредственно сокращающий срок его службы.
Что касается механического износа, нормальный износ обусловлен трением скольжения между угольной вставкой токоприёмника и медной токоотводящей накладкой. При неудовлетворительной установке и регулировке — например, при наличии уступа в месте стыка накладки с контактным проводом, при разности высот более 0.5mm или при непараллельности нижней поверхности накладки уровню головки рельса — при проходе токоприёмника возникает заметный удар, сила которого значительно превышает нормальное контактное давление, что приводит к пластической деформации поверхности медной накладки, образованию борозд и усилению абразивного износа.
Электрическая эрозия в основном вызвана дугой отрыва в системе «токоприёмник — контактная сеть». При кратковременном отрыве токоприёмника в момент перехода по накладке нагрузочный ток поддерживается дугой, высокая температура корня дуги приводит к локальному плавлению и испарению меди, а после прохода токоприёмника остаются углубления и следы оплавления; кроме того, высокая температура вызывает окисление поверхности меди с образованием оксидной плёнки с пониженной проводимостью, что увеличивает переходное сопротивление. При последующих проходах токоприёмника переходное сопротивление возрастает ещё больше, провоцируя новые отрывы и дуги, — возникает порочный круг эрозии. На моечной линии депо или у ворот цеха, где поезда часто трогаются с места и потребляют большой ток, если токоприёмник останавливается непосредственно на секционном изоляторе, пусковой ток большой величины легко расплавляет накладку.
3.3 Неудовлетворительное динамическое взаимодействие токоприёмника и контактной сети и явление дугообразования
Дугообразование в системе «токоприёмник — контактная сеть» — наиболее наглядное проявление отказа на секционном изоляторе; по своей сути оно означает ухудшение состояния электрического контакта.
Первопричина дугообразования — недостаточное контактное усилие между токоприёмником и скользящей поверхностью либо кратковременный отрыв. Помимо жёстких точек, обусловленных монтажом, важным фактором являются динамические характеристики контактной подвески. Гибкая контактная сеть колеблется при проходе токоприёмника; если секционный изолятор расположен в неблагоприятном месте — в пучности или в узле колебаний, — фазы подъёма токоприёмника и восстановления контактной сети не совпадают, что вызывает резкие колебания контактного усилия.
На работу секционного изолятора влияет и состояние самого токоприёмника. При неравномерном износе угольной вставки, неровной её поверхности или наличии борозд при проходе по накладке возникают подскоки; заниженное статическое контактное давление не позволяет сохранить надёжный контакт в зоне сосредоточенной нагрузки на секционном изоляторе и также приводит к отрыву с дугообразованием. Дугообразование чаще всего сосредоточено на границе накладки и контактного провода, на стыке двух накладок и на торцах накладок.
3.4 Отклонение механических параметров и деформация конструкции
Секционный изолятор является механическим подвесным устройством, поэтому точность его геометрических параметров — основа плавного прохода токоприёмника.
Причины и последствия отклонения параметров в основном следующие. Несоответствие величины смещения: центр секционного изолятора недопустимо отклонён от оси пути; на кривых участках под влиянием зигзага контактного провода при неверной регулировке смещения рабочая поверхность вставки токоприёмника не совпадает с накладкой, кромка вставки задевает боковую поверхность накладки, что приводит к удару по токоприёмнику. Несоответствие отрицательной стрелы провеса: на секционном изоляторе обычно задаётся определённая отрицательная стрела провеса, то есть его положение несколько ниже высоты точек фиксации по обе стороны, а конкретное значение определяется проектной документацией; при слишком малой стреле или при переходе её в положительную при проходе токоприёмника возникает удар снизу вверх, при слишком большой — удар сверху вниз. Непараллельность нижней поверхности накладки уровню головки рельса: из-за погрешностей монтажа, ослабления болтов или неравномерного удлинения проводов при изменении температуры наклон накладки превышает предельное значение, угольная вставка не может одновременно иметь хороший контакт с обеими накладками, что провоцирует отрыв и дугообразование при переходе. Влияние температурного фактора: контактная сеть подвержена тепловому расширению и сжатию, натяжение и длина на секционном изоляторе изменяются, и если конструкция не компенсирует температурные напряжения, возможны коробление накладки или усталостное разрушение соединительных деталей.
3.5 Ослабление и отказ соединительных и крепёжных деталей
Детали секционного изолятора соединены болтами, штифтами и другими крепёжными элементами и длительно воспринимают вибрацию от взаимодействия токоприёмника с контактной сетью и действие электродинамических усилий, поэтому в соединениях часто возникает ослабление.
Под действием знакопеременных вибрационных нагрузок от проходящих поездов между элементами болтового соединения возникают микроскопические взаимные смещения. Если стопорение неэффективно или монтаж выполнен некачественно, микросмещения накапливаются и болт ослабевает. После ослабления переходное сопротивление в соединении возрастает, при протекании большого тока возникает высокая температура, что ускоряет окисление и деформацию материала и в конечном счёте приводит к обрыву болта или отпадению детали. Например, ослабление болтов крепления дугогасительного рога приводит к его отпадению и утрате дугогасящей функции; ослабление болтов стыкового зажима может вызвать выдёргивание контактного провода и обрушение контактной сети; ослабление зажима струны нарушает выравнивание секционного изолятора и провоцирует отказ системы «токоприёмник — контактная сеть». В сварных комбинированных подвесных деталях из нержавеющей стали при длительных усталостных нагрузках в сварных швах также могут зарождаться микротрещины, приводящие к разрушению.
4. Анализ характерных примеров линий городского рельсового транспорта
4.1 Трамвай Шанхай — Сунцзян: устранение дугообразования и износа на секционных изоляторах контактной сети с простой подвеской
4.1.1 Общая характеристика линии и проявления отказов
На трамвайной линии Шанхай — Сунцзян применена гибкая простая эластичная контактная подвеска. По сравнению с цепной подвеской простая подвеска менее эластична и предъявляет более жёсткие требования к условиям работы секционного изолятора. Через полгода после ввода линии в эксплуатацию на прямых участках главного пути началось заметное дугообразование в системе «токоприёмник — контактная сеть». С ноября 2016 по март 2017 года частота дугообразования существенно возросла, а ночью наблюдались отчётливо видимые огненные шары, перемещавшиеся вместе с токоприёмником. В результате на участках контактного провода с дугообразованием появились плотно расположенные мелкие следы подгара, угольные вставки токоприёмников изнашивались аномально, на части вставок с обеих сторон образовались борозды глубиной в несколько миллиметров, что сокращает срок службы вставок и угрожает безопасности движения.
4.1.2 Углублённый анализ механизма отказов
Обследование и измерения на месте показали, что отказы сосредоточены главным образом на секционных изоляторах, а их первопричина — несоответствие конструкции и способа монтажа.
Во-первых, имеется разность высот между накладкой и контактным проводом. В первоначальном проекте скользящая токоотводящая поверхность секционного изолятора и низ стыкового зажима контактного провода располагались не в одной горизонтальной плоскости, местами образуя уступ 1~2mm. В условиях простой подвески контактное давление при проходе токоприёмника сильно колеблется, и небольшой уступ усиливается, вызывая кратковременный отрыв и интенсивную дугу.
Во-вторых, неудовлетворительная приработка вставки токоприёмника и накладки. Высокая температура дуги делает поверхность накладки шероховатой, что вызывает неравномерный износ угольной вставки; вставка с неравномерным износом при проходе секционного изолятора нагружается ещё более неравномерно, что усиливает механический износ и электрическую эрозию и приводит к образованию борозд с обеих сторон вставки.
В-третьих, влияние температурных напряжений. В районе Сунцзяна значительны суточные и сезонные перепады температур, а в контактной сети с простой подвеской при изменении температуры заметно колеблется натяжение. Прежний секционный изолятор недостаточно воспринимал температурные напряжения: при разных температурах изменялись горизонтальность и параллельность накладок, и обеспечить плавный проход постоянно не удавалось.
4.1.3 Целенаправленная модернизация и её результаты
Для устранения перечисленных проблем эксплуатирующая организация совместно с изготовителем провела комплекс мероприятий.
В части тонкой регулировки монтажа все секционные изоляторы были отрегулированы с применением высокоточного уровня и лазерного измерителя контактной сети; особое внимание уделялось обработке фасок на торцах накладок для устранения микроуступов и строгой компланарности нижней поверхности накладки и нижней поверхности контактного провода с погрешностью не более 0.3mm; величина смещения и отрицательная стрела провеса были приведены к оптимальным значениям, а параллельность нижней поверхности вставки уровню головки рельса проверена повторно.
В части конструктивной модернизации были переработаны гибкие секционные изоляторы, наиболее подверженные влиянию температуры: оптимизированы способ подключения питающего кабеля и запас стрелы провеса, что снизило прямое влияние колебаний температуры на удлинение проводов. Одновременно выполнена тонкая регулировка сопряжений анкерных участков и узлов пересечения проводов на главном пути; на отдельных участках, где подъём нерабочей ветви был недостаточен, его увеличили до 5~7mm, чтобы угольная вставка не ударяла по контактному проводу.
В части контроля состояния токоприёмников усилены проверка и обработка угольных вставок токоприёмников эксплуатируемого подвижного состава, вставки с неравномерным износом и бороздами своевременно заменяются или восстанавливаются, что возвращает им плоскостность и разрывает порочный круг износа.
В результате выполненной модернизации дугообразование на секционных изоляторах было полностью устранено, аномальный износ контактного провода и угольных вставок заметно снизился, срок службы оборудования увеличился, а надёжность эксплуатации повысилась.
4.2 Чэндуский рельсовый транспорт: мониторинг состояния и раннее предупреждение по секционным изоляторам в системе интеллектуального обслуживания
4.2.1 Масштаб сети и задачи технического обслуживания
Протяжённость линий Чэндуского рельсового транспорта быстро превысила 500 км. По мере роста сети традиционные пешие обходы и осмотры с рабочих вышек оказались малоэффективными, не обеспечивали должного охвата и давали субъективные данные, что затрудняло обеспечение безопасности при высокой интенсивности движения. Поэтому Чэндуский рельсовый транспорт силами подведомственного научно-производственного института разработал интеллектуальную систему обхода контактной подвески и устройство онлайн-мониторинга взаимодействия токоприёмника с контактной сетью, создав систему интеллектуального обслуживания, в которой секционные изоляторы отнесены к первоочередным объектам мониторинга.
4.2.2 Технические принципы и практическое применение системы интеллектуального осмотра
Система интеллектуального осмотра контактной подвески размещается на крыше вагонов-лабораторий и эксплуатируемых электропоездов и оснащена 34 промышленными камерами высокого разрешения, включая линейные CCD-датчики и матричные камеры; при нормальной эксплуатационной скорости поезда, достигающей 160 km/h, она обеспечивает круговую съёмку контактной сети. Применительно к секционным изоляторам система по точной логике срабатывания в момент прохождения снимает изображения высокого разрешения спереди, сбоку и снизу.
Массив изображений, собираемый за один проезд, может достигать сотен тысяч кадров; после предварительной обработки в сети 5G или на бортовом промышленном компьютере данные передаются в наземный центр обработки данных. В центре развёрнут алгоритм распознавания изображений на основе свёрточной нейронной сети (CNN), обученный на большом объёме образцов реальных дефектов, который автоматически выявляет различные дефекты секционных изоляторов: загрязнение, повреждение и следы перекрытия на поверхности изолятора, деформацию, отрыв и нарушение расстояния дугогасительных рогов, а также прожиг, сильный износ и ослабление болтов на токоотводящих пластинах. Система обеспечивает переход от визуального просмотра оператором к интеллектуальной машинной оценке: точность распознавания превышает 90 %, а цикл ручного осмотра, ранее занимавший 3 месяца, сокращается до 1 технологического окна.
4.2.3 Расширенное восприятие устройствами онлайн-мониторинга системы «токоприёмник — контактная сеть»
Устройство онлайн-мониторинга системы «токоприёмник — контактная сеть» устанавливается на токоприёмнике эксплуатируемого электропоезда и обеспечивает восприятие динамического взаимодействия в реальном времени. Устройство объединяет датчики контактного усилия и ускорения, установленные на кронштейне полоза и на опорных изоляторах, и измеряет динамическое контактное усилие, а также вертикальное и горизонтальное ускорения вибрации; когда при прохождении токоприёмником секционного изолятора возникает удар в жёсткой точке, датчик ускорения фиксирует высокочастотный вибрационный сигнал, а на кривой контактного усилия появляется резкий пик, что позволяет локализовать место неровности перехода и количественно оценить её серьёзность.
Устройство также оснащено ультрафиолетовым датчиком горения дуги, который с помощью УФ-фотоэлектронного умножителя регистрирует сигналы дуги при отрыве токоприёмника от контактной сети, фиксируя длительность, интенсивность и местоположение дуги и обеспечивая предупреждение об электрических неисправностях; кроме того, имеется модуль инфракрасного измерения температуры для бесконтактного контроля температуры контактного провода и токоотводящих пластин, выявляющий локальный нагрев, вызванный плохим контактом или ослаблением болтов.
Чэндуский метрополитен включил устройства онлайн-мониторинга системы «токоприёмник — контактная сеть» в регламент технического обслуживания и на основе многолетних данных создал модель оценки технического состояния секционных изоляторов, обеспечив переход от планово-периодического ремонта к ремонту по состоянию. По его внутренней статистике, это позволяет снижать затраты на персонал примерно на 1 млн юаней в год на каждой линии и предотвратило несколько отказов оборудования, способных вызвать перерыв движения.
5. Методы поиска неисправностей и система процедур диагностики
Для сложных видов отказов секционных изоляторов следует создать стандартизированную и алгоритмизированную систему поиска и диагностики, обеспечивающую раннее выявление скрытых дефектов и их точную локализацию. Приведённая ниже процедура объединяет традиционный визуальный контроль и современные методы диагностики и применима как к повседневному обслуживанию, так и к целевым проверкам.
5.1 Визуальный осмотр на месте и проверка внешнего состояния
Это наиболее простой метод поиска неисправностей, требующий от ремонтного персонала богатого опыта и острого наблюдения. В технологическое окно с отключением напряжения персонал поднимается на высоту и проверяет основную изоляционную поверхность на наличие трещин, повреждений и следов обугливания, обращая особое внимание на зону перехода нижней части юбки изолятора к металлической арматуре: не превышают ли следы разряда 20 % эффективной длины изоляции; проверяет целостность и отсутствие деформации дугогасительных рогов и соответствие расстояния между ними требованию не менее 300 mm; проверяет поверхность токоотводящих пластин на наличие следов эрозии от дуги, оплавленных кратеров и сильного неравномерного износа; проверяет затяжку крепежа, а также то, что угол раскрытия шплинтов превышает 120° и сами шплинты не отсутствуют. При ночном осмотре, в период редкого движения или после прекращения работы линии, наблюдают, возникают ли заметные искры или дуга при прохождении токоприёмником секционного изолятора, — это наиболее наглядный способ оценки динамического контакта в системе «токоприёмник — контактная сеть».
5.2 Точное измерение параметров и оценка геометрического состояния
Точность геометрических параметров — необходимое условие нормальной работы секционного изолятора. Лазерным измерителем контактной сети измеряют высоту контактного провода на обоих концах и в середине секционного изолятора, вычисляют изменение высоты и оценивают, находится ли отрицательная стрела провеса в пределах проектных значений; измеряют зигзаг и подтверждают, что смещение не выходит за установленные пределы. Высокоточным уровнем длиной не менее 1.5 m, имитирующим полоз токоприёмника, устанавливают его на токоотводящие пластины и контактный провод и проверяют плотность одновременного прилегания; при наличии зазора это указывает на ступеньку или наклон, поэтому величину зазора измеряют щупом, подтверждают, что отклонение не превышает предельного значения, и проверяют равенство высот пластин с обеих сторон. При отключённом напряжении мегаомметром 2500 V измеряют сопротивление основной изоляции относительно земли и между двумя токоотводящими пластинами: в сухих условиях оно, как правило, не должно быть ниже 300 MΩ; при явно заниженном значении необходима дополнительная проверка на местное увлажнение или сильное загрязнение.
5.3 Применение методов контроля под напряжением и онлайн-мониторинга
На участках, где отключение напряжения невозможно или требуется зафиксировать динамически возникающие скрытые дефекты, методы контроля под напряжением приобретают решающее значение. Инфракрасную термографию следует выполнять при работе поездов под током с высокой нагрузкой, сканируя секционный изолятор и обращая особое внимание на нагрев в местах соединения токоотводящих пластин с контактным проводом и в местах крепёжных болтов; как правило, разность температур с окружающей средой не должна превышать 15 °C, а при локальной температуре выше 80 °C необходимо немедленно организовать отключение и устранение. Ультрафиолетовую визуализацию целесообразно проводить в утренние часы или ночью при повышенной влажности, наблюдая УФ-сигналы от частичных разрядов на поверхности, что позволяет до перекрытия и пробоя выявить разрядные дефекты, вызванные загрязнением или деградацией материала. На критичных секционных изоляторах или на сильно загрязнённых участках можно устанавливать стационарные датчики частичных разрядов, используя метод сверхвысоких частот или ультразвуковой метод для непрерывного контроля характерных спектров сигналов частичных разрядов и оценки степени и тенденции ухудшения изоляции. Бортовые устройства онлайн-мониторинга или наземные пункты контроля позволяют анализировать контактное усилие, ускорение в жёстких точках и коэффициент горения дуги при прохождении токоприёмника; если в одном и том же месте секционного изолятора многократно фиксируется превышение нормы по скачку контактного усилия или по длительности горения дуги, следует немедленно выдать наряд на целевое обследование.
5.4 Комплексная оценка и принятие решения о мерах
Данные, полученные перечисленными методами, анализируют совместно. Например, если инфракрасное измерение показало повышенную температуру в месте соединения, ультрафиолетовая визуализация обнаружила поблизости частичные разряды, а бортовой мониторинг зафиксировал удар в жёсткой точке при прохождении данного места, то комплексный вывод таков: ослабление соединения токоотводящей пластины привело к росту переходного сопротивления и нагреву, из-за ослабления возник перепад высот, вызвавший отрыв токоприёмника и дугу, а дуга, в свою очередь, усилила деградацию поверхностного разряда изоляции. Решение о мерах: немедленно отключить напряжение и заменить сам секционный изолятор, а также проверить состояние соседних участков контактного провода.
6. Стратегии оптимизации технического обслуживания на основе концепции полного жизненного цикла
Исходя из анализа механизмов отказов и опыта типовых случаев, при обслуживании секционных изоляторов следует отказаться как от исключительно послеаварийного ремонта, так и от жёсткого планово-периодического предупредительного ремонта и выстроить систему управления полным жизненным циклом, охватывающую проектирование и выбор типоразмера, монтаж при строительстве, мониторинг состояния, точное обслуживание и оценку ресурса.
6.1 Оптимизация стратегии ремонта и дифференцированное управление периодичностью
Традиционный плановый ремонт нередко приводит к одновременному сосуществованию избыточного и недостаточного обслуживания, поэтому следует внедрять дифференцированную стратегию ремонта в зависимости от состояния оборудования и условий среды. Для секционных изоляторов, расположенных в депо, вагономоечных комплексах и на участках с частыми пусками и остановками и большими пусковыми токами, периодичность ремонта следует сократить до одного раза в 3 месяца; в туннелях с высокой влажностью, в зонах сильного промышленного загрязнения и в прибрежных зонах солевого тумана необходимо усилить очистку изоляционных элементов и обработку против загрязнения и перекрытия, применяя нормы более высокого класса загрязнения, с полной очисткой один раз в квартал; на участках главного пути с относительно хорошими условиями эксплуатации и нормальными данными мониторинга периодичность можно увеличить до одного раза в 6 месяцев или в 1 год. В части ремонта по состоянию на основе данных онлайн-мониторинга и контроля под напряжением строят модель оценки индекса технического состояния секционного изолятора: когда индекс опускается ниже порога или в тренде ключевых параметров появляется аномальная точка перелома, автоматически формируется наряд на ремонт по состоянию, что обеспечивает обслуживание по потребности.
6.2 Построение интеллектуальной системы онлайн-мониторинга и раннего предупреждения
Следует всемерно развивать интеллектуальное электроснабжение и создавать сеть мониторинга с полным охватом и множеством измеряемых параметров. Бортовые системы интеллектуального осмотра должны стать штатным оснащением вагонов-лабораторий контактной сети и части эксплуатируемых пассажирских поездов, обеспечивая высокочастотный автоматический контроль внешнего состояния секционных изоляторов и формируя архив изображений, в котором сравнительный анализ позволяет отслеживать развитие дефектов. На критичных секционных изоляторах, например в местах сопряжения различных плеч питания и на важных тупиковых линиях, следует устанавливать комбинированные датчики инфракрасной температуры, тока утечки и частичных разрядов с передачей данных в реальном времени через интернет вещей для контроля 24 часа в сутки. На уровне данных объединяют бортовые и наземные результаты мониторинга, дополняют их метеорологическими сведениями о температуре, влажности и скорости ветра и с помощью машинного обучения строят модель раннего предупреждения отказов секционных изоляторов; при росте влажности и усилении сигналов частичных разрядов заранее выдаётся предупреждение о перекрытии из-за загрязнения, что позволяет планировать очистку перед ухудшением погоды.
6.3 Модернизация материалов и оптимизация конструкции
Повышать собственную безопасность оборудования следует с самого начала. При строительстве новых линий или капитальном ремонте наружные эпоксидные секционные изоляторы подлежат постепенному выводу из применения, приоритет отдаётся кремнийорганическим композитным изоляторам; во влажной среде туннелей также следует применять композитные изоляционные материалы с лучшей влагостойкостью. В части конструкции токоотводящих пластин необходимо оптимизировать узел соединения пластины с контактным проводом, применяя цельную ковку или точное литьё, чтобы сократить число соединительных звеньев и повысить монолитность и жёсткость; оптимизировать геометрию торцов, предусмотрев рациональные переходные кривые и фаски для снижения коэффициента удара; исследовать самосмазывающиеся износостойкие покрытия. В части защиты от самоотвинчивания для ответственных соединительных болтов следует применять высокопрочные самоконтрящиеся гайки или резьбовой фиксатор, а в таких деталях, как дугогасительные рога, предусматривать двойное страхование от отрыва, например дополнительный страховочный трос.
6.4 Стандартизация технологии монтажа и прецизионный контроль
Качественный монтаж — важнейшая гарантия надёжной работы оборудования. Перед отправкой с завода секционный изолятор должен проходить сборку в целом виде и испытание на растяжение; при входном контроле помимо внешнего вида и сертификата соответствия следует повторно проверять плоскостность и параллельность нижней поверхности токоотводящих пластин, а несоответствующую продукцию не допускать к применению. Монтаж выполняют по стандартизированной технологической инструкции, точно регулируя положение уровнем и лазерным измерителем: сначала обеспечивают нахождение контактного провода с обеих сторон в одной горизонтальной плоскости, затем плотно прижимают токоотводящие пластины секционного изолятора к контактному проводу и затягивают болты соединительных зажимов с нормированным моментом; категорически запрещается силовая установка прокладок между пластиной и контактным проводом для регулировки высоты, что создаёт внутренние напряжения. При монтаже и регулировке необходимо учитывать влияние температуры среды и натяжения контактной сети: в жаркий сезон отрицательную стрелу провеса следует принимать по нижнему пределу, в холодный — по верхнему; после завершения монтажа и 24 часов работы под напряжением параметры следует измерить повторно и подтвердить, что они соответствуют требованиям и в нагретом состоянии.
6.5 Цифровое управление полным жизненным циклом и оценка ресурса
Следует использовать цифровые двойники и информационные технологии для детализированного управления оборудованием. Для каждого секционного изолятора создаётся уникальный цифровой паспорт, в котором фиксируются изготовитель, модель, место установки, дата монтажа, начальные параметры, все записи о ремонтах, тренды данных мониторинга и сведения об устранении дефектов; полная информация жизненного цикла доступна по сканированию кода. На основе данных о накопленном износе, степени старения изоляции и исторической частоте отказов строят модель прогнозирования ресурса: когда оценённый остаточный ресурс ниже безопасного порога или совокупные затраты на восстановление превышают 60 % стоимости замены, следует заранее планировать замену, не допуская работы оборудования с дефектом до внезапного отказа.
7. Выводы и перспективы
7.1 Выводы исследования
В настоящей работе проведено системное исследование режимов отказов секционных изоляторов контактной сети городского рельсового транспорта и стратегий оптимизации технического обслуживания. Основные выводы приведены ниже.
Во-первых, отказы секционных изоляторов являются результатом совместного действия множества факторов — электрических, механических, средовых и иных. Электрический пробой изоляции обусловлен токами утечки и частичными разрядами в загрязнённой и влажной среде; аномальный износ токоотводящих пластин и дугообразование вызваны жёсткими точками при монтаже и неудовлетворительным динамическим согласованием взаимодействия токоприёмника и контактной сети; нарушение механических параметров и ослабление крепежа отражают длительную вибрационную усталость.
Во-вторых, пример трамвайной линии Сунцзян в Шанхае показывает, что контактная сеть с простой подвеской предъявляет исключительно высокие требования к точности монтажа секционных изоляторов. Тщательная регулировка и изменение конструкции, устраняющие ступенчатость токоотводящих пластин и влияние температурных напряжений, являются действенным способом борьбы с дугообразованием и аномальным износом.
В-третьих, пример метрополитена Чэнду подтвердил ценность интеллектуальных систем обхода и устройств онлайн-мониторинга взаимодействия токоприёмника и контактной сети для повышения эффективности обслуживания и перехода к ремонту по фактическому состоянию. Благодаря изображениям высокого разрешения и объединению разнородных данных обеспечен переход от ручного осмотра к интеллектуальной машинной оценке, а от аварийно-восстановительных работ — к предупреждению по состоянию.
В-четвёртых, предложенная в работе системная стратегия оптимизации технического обслуживания, охватывающая дифференцированный ремонт, интеллектуальный мониторинг и предупреждение, модернизацию материалов и конструкции, прецизионную технологию монтажа и цифровизацию полного жизненного цикла, может служить техническим и управленческим ориентиром для служб электроснабжения городского рельсового транспорта.
7.2 Перспективы развития
По мере развития новых материалов, искусственного интеллекта и технологий Интернета вещей эволюция секционных изоляторов и обновление моделей их обслуживания будут характеризоваться следующими тенденциями.
Первая тенденция — разработка и применение новых функциональных материалов. В перспективе будут созданы нанокомпозитные изоляционные материалы с повышенной дугостойкостью, самовосстанавливающейся гидрофобностью и высокой износостойкостью; материал токоотводящих пластин, вероятно, будет развиваться в направлении медных композитов или медных сплавов, армированных графеном.
Вторая тенденция — глубокая интеграция цифровых двойников и интеллектуальной диагностики. Создание цифрового двойника контактной сети, в котором данные мониторинга в реальном времени отображаются на трёхмерную модель, позволяет моделировать отказы и прогнозировать ресурс в виртуальном пространстве; экспертная система интеллектуальной диагностики на базе больших моделей способна автоматически формировать оптимальные стратегии ремонта и наряды-заказы.
Третья тенденция — роботизированное автономное обслуживание. Рельсовые роботы-обходчики и беспилотные летательные аппараты с мультиспектральным оборудованием обеспечивают круглосуточный высокочастотный автономный контроль секционных изоляторов и автоматическое устранение незначительных дефектов, что постепенно ведёт к безлюдному интеллектуальному обслуживанию.
Секционный изолятор невелик, однако представляет собой критический узел системы электроснабжения городского рельсового транспорта. Только при равном внимании к технике и управлению, при постоянном совершенствовании материалов, повышении прецизионности технологии и интеллектуализации обслуживания можно эффективно решить проблему отказов этого слабого звена и обеспечить безопасность и бесперебойность движения городского рельсового транспорта.
Список литературы
[1] Ли Ювэй. Анализ типичных проблем секционных изоляторов контактной сети с простой подвеской трамвая и способы их устранения[J]. Исследования городского рельсового транспорта, 2022, 25(доп. вып. 1): 126-127.
[2] Цянь Юйшэн. Анализ отказов секционных изоляторов контактной сети городского рельсового транспорта и варианты оптимизации[J]. Наука и техника лёгкой промышленности, 2019, 35(5): 89-90.
[3] У Чэньчэнь. Анализ технических характеристик и типичных отказов контактной сети в системе электроснабжения городского рельсового транспорта[J]. Инженерное оборудование Китая, 2020(8): 54-55.
[4] Гао Пэнфэй. Анализ технических характеристик и типичных отказов контактной сети в системе электроснабжения городского рельсового транспорта[J]. Теоретические исследования городского строительства (электронная версия), 2019(15): 122.
[5] Институт подвижного состава Китайской академии железнодорожных наук. Секционный изолятор для трамвая: CN105882455B[P]. 2018-04-13.
[6] Чэндуский научно-исследовательский институт технологий рельсового транспорта. Технический отчёт о применении интеллектуальной системы обхода контактной подвески и устройств онлайн-мониторинга взаимодействия токоприёмника и контактной сети[R]. 2022.
[7] Юй Ваньцзюй. Контактная сеть высокоскоростных электрифицированных железных дорог[M]. Чэнду: Издательство Юго-Западного транспортного университета, 2003.
[8] Государственное управление железных дорог. Технические условия на арматуру контактной сети электрифицированных железных дорог: TB/T 2073—2020[S]. Пекин: Китайское железнодорожное издательство, 2020.
[9] IEC. Railway applications—Fixed installations—Electrical safety, earthing and the return circuit: IEC 62128-1: 2013[S]. Geneva: IEC, 2013.
[10] Чжай Пэн. Разработка и реализация программного обеспечения системы онлайн-мониторинга секционных изоляторов контактной сети электрифицированных железных дорог[D]. Пекин: Пекинский транспортный университет, 2013.
