Термоиндикаторы изготавливают в виде наклеек, определенного размера, с диапазоном температур от 40 до 260 °С. Крепятся на любую поверхность (вогнутую, выпуклую). Также термоиндикаторные вещества изготавливают в виде краски, которую наносят кистью ровным слоем на поверхность. Термоиндикаторы бывают одноразовые нереверсивные или многоразовые реверсивные [6].

Если неисправный участок находится в зоне прямой видимости, термоиндикация позволяет оперативно ликвидировать его. Индикатор может приводить и к ложному срабатыванию, если причины нагрева электрической цепи не связаны с аварийным состоянием, а также не позволяет точно определить причины нагрева контакта.

1.4.3 Тепловидение

В настоящее время большой популярностью пользуется тепловизионное обследование электросетей и электрооборудования. Это один из наиболее эффективных методов контроля работоспособности, выявления дефектов и предаварийных ситуаций. Основное достоинство заключаются в том, что для анализа элементов не нужно прерывать работу устройств, не нужно касаться токоведущих частей или использовать другие контактные методы измерений, контроль выполняется на расстоянии, бесконтактным способом с помощью тепловизоров. Применение этих устройств актуально для высоковольтных электроустановок, так же подобные устройства применяются в низковольтных электроустановках для диагностики состояния контактных соединений [34,35].

а)

б)

Рисунок 1.12 - Обнаружение нагрева

электрических соединений и проводки:

а) щит, б) распределительная коробка

Полученное, с помощью тепловизора, инфракрасное изображение позволяет зафиксировать нагретый объект и определить его местоположение. Однако невозможно получить сведения по какой причине объект нагревается, поэтому не ясно, что необходимо сделать, чтобы этот нагрев устранить. Температура объекта определяется процессами генерации и отведения тепла от него, поэтому возможно, что нагрев возникает в результате работы устройства и не вызван аварийным состоянием.

а) б)

в) г)

Рисунок 1.13 - Термограммы электрических соединений разных электроэнергетических установок: а) ввод силового трансформатора, б) болтовое соединения вводного устройства, в) болтовое соединение зажима и полуножей, г) нагрев зажима контактного провода

В отличие от визуальных методов, электрические позволяют измерять параметры контакта (электрические и физические) и, оценивая величину параметра, делать вывод о состоянии контакта. Чаще всего диагностика контактных соединений осуществляется на основе измерения их электрического сопротивления (падения напряжения) или путем определения температуры нагрева соединений.

2 УРАВНЕНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ ПИТАЮЩЕГО ЗАЖИМА КОНТАКТНОЙ СЕТИ КС–053

Тепловым процессам в контактной сети уделено не малое внимание. В этой области работали Бочев А.С., Воронин А.В., Галкин А.Г., Григорьев В.Л., Гуков А.И., Жарков Ю.И., Купцов Ю.Е., Игнатьев В.В., Марквардт Г.Г., Марквардт К.Г., Петрова Т.Е., Порцелан А.А., Фигурнов Е.П. и другие российские и зарубежные ученые. В работах этих авторов изложены основы тепловых расчетов [63–65], определены характеристики проводов и их соединений в установившихся режимах [66–69]. Оценено влияние на нагрев элементов контактной сети таких факторов, как изменение скорости охлаждающего потока воздуха, температуры окружающего воздуха, интенсивности солнечной радиации, величины износа контактных проводов [69–73]. Способы расчета нагревающих контактную сеть токов разработаны в [66, 79]. В работах [74, 75] содержатся результаты теоретических и экспериментальных исследований температуры проводов на действующих линиях [76–78]. Однако вышеперечисленные работы в большей степени посвящены различным проводам контактной подвески, а места их соединения изучены гораздо меньше. Поэтому актуальной задачей является изучение тепловых процессов, протекающих в области электрического соединения.

Электрическое соединение проводов должно обеспечивать необходимый уровень надежности с учетом веса и скоростей подвижного состава.

В настоящее время проверку качества электрического контакта токоведущего соединения питающих зажимов контактной сети осуществляют в соответствии с ГОСТ 12393-2013. В контактной сети в основном применяются болтовые зажимы, которые производят механическое и электрическое соединение проводников. Качество полученных соединительных узлов определяется коэффициентами дефектности электрического контакта.

Коэффициент дефектности это величина, показывающая соотношения превышения температуры соединения и подсоединяемого провода (на расстоянии не менее 1м от зажима) над температурой окружающей среды [18].

Коэффициент дефектности по нагреву для питающих зажимов не должен превышать 0,9. Величина коэффициента дефектности показывает, насколько эффективнее соединительная арматура отводит тепло со своей поверхности, чем провод. В некоторых работах приводится разное трактование того, каким должен быть по величине рассматриваемый коэффициент и ставится вопрос о способности коэффициента оценивать качество электрического соединения. Так, в работе [17] отмечено, что коэффициент дефектности по нагреву не может быть показателем качества работы зажимов КС из-за нестационарности режимов работы, но, с другой стороны, именно этот показатель наиболее перспективен для оценки состояния электрического соединения.

2.1 Уравнение нагрева болтового электрического соединения

При протекании тока в соединении «плашка зажима – провод контактной сети» потери, выделяемые в виде тепла, частично идут на повышение температуры плашки и провода в соответствии с их массой и теплоёмкостью, а частично рассеиваются за счет конвекции и теплового излучения в окружающую среду (рисунок 2.1).

Уравнение динамики нагрева питающего зажима контактной сети можно составить на базе уравнения теплового баланса, его можно записать в следующем виде:

где – количество тепла, выделяющееся за 1с в переходном сопротивлении плашка-провод при протекании по нему тока – поток теплового источника, Вт; – количество тепла, идущее на повышение температуры зажима в зависимости от удельной теплоемкости и массы в 1 с, Вт; – тепловой поток конвективной теплоотдачи, Вт; – поток теплового излучения нагретым зажимом, Вт.

В работе [92] приведено универсальное уравнение теплового баланса, позволяющее оценить степень влияния на нагрев соединительных зажимов таких факторов как ток нагрузки и переходное сопротивления контакта.

Уравнение имеет следующий вид:

, (2.2)

где С_пр – удельная теплоёмкость материала провода, Вт∙с/(кг∙К); С_з – удельная теплоёмкость материала зажима, Вт∙с/(кг∙К); m_пр –масса провода зажатого между плашками зажима, кг; m_з –масса зажима, кг; I – тяговый ток, А; R_К20 – сопротивление контакта при температуре 20 °С, мкОм S – площадь внешней поверхности зажима, м²; α´=4,3∙10^-3 – температурный коэффициент изменения сопротивления, 1/°С; Т_окр – температура воздуха, °С; Т_заж – температура зажима, °С; θ(t) = T_заж – Т_окр – превышение температуры зажима над температурой окружающей среды, °С; σ = 5,6697∙10-8 Вт/(м²∙К⁴) – константа, называемая постоянной Стефана–Больцмана; ε = 0,6 – относительный коэффициент черноты для бронзы АЖ9-4-10-3-1,5;

Рисунок 2.1 - Графическое представление тепловых процессов

в контактном соединении питающего зажима и проводов

В работе [97] приводится математическое моделирование процесса нагрева с использованием уравнения (2.2) и на основе полученных результатов предлагается методика определения качества электрического соединения. Данная методика предполагает определение скорости роста коэффициента дефектности. Однако в работе не рассматривается процесс охлаждения и его влияние на определение качества электрического соединения по предложенной методике.

2.2 Уравнение охлаждения болтового электрического соединения

Для оценки степени влияния и доказательства необходимости учета режима «охлаждения» зажима выведено уравнение процесса охлаждения болтового зажима КС 053-8.

Уравнение процесса охлаждения является частным случаем уравнения (2.2), в котором ток отсутствует. В таком случае уравнение примет вид:

_. (2.3)

Правая часть уравнения представляет собой суммарный тепловой поток , отдаваемый нагретым зажимом в окружающую среду конвекцией и тепловым излучением:

. (2.4)

Из уравнения (2.4) следует, что тепловой поток представляет собой достаточно сложную функцию температуры зажима и температуры окружающей среды.

График функции (2.4) представляет собой кривую, которая при представлении ее в логарифмических координатах (рисунок 2.2), хорошо аппроксимируется уравнением вида:

. (2.5)

И после преобразований уравнение теплового потока может быть представлено (в рассматриваемом диапазоне температур) как:

, (2.6)

где h=1,4929 – угловой коэффициент прямой, P=0,592 м – периметр поверхности зажима

Рисунок 2.2 – График суммарного теплового потока отдаваемого нагретым зажимом в воздух в логарифмических координатах

Если разделить переменные в уравнении (2.3) с учетом уравнения (2.6), то уравнение охлаждения нагретого зажима принимает следующий вид:

. (2.7)

Интегрирование уравнения (2.7) дает возможность записать его решение в виде:

, (2.8)

где - постоянная, которая определяется из начальных условий:

. (2.9)

После преобразования уравнения (2.8) с учетом (2.9) к виду: