авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Повышение эффективности работы заземляющих устройств тяговых подстанций магистральных электрических железных дорог

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ИВАНОВ Геннадий Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ

УСТРОЙСТВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ОМСК 2009

Работа выполнена во ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

ДЕМИН Юрий Васильевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

КАНДАЕВ Василий Андреевич;

доктор технических наук, профессор

МАНУСОВ Вадим Зиновьевич.

Ведущая организация:

ЗАО «Сибирский проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт по проектированию энергетических систем и электрических сетей «Сибэнергосетьпроект» (ЗАО «Сибэнергосетьпроект»)».

Защита диссертации состоится 29 апреля 2009г. в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе) по адресу: 644046, г.Омск, пр.Маркса, 35, ауд. 112.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 28 марта 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д218.007.01.

Тел/факс: (3812) 31-13-44; E-mail: nauka@omgups.ru.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор О. А. Сидоров.

_________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Электрифицированные железные дороги составляют основную часть железных дорог России и выполняют свыше 80 % грузоперевозок.

В ОАО «Российские железные дороги» была принята «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 г. и на перспективу до 2020 г.», одной из основных задач которой является переход на энергосберегающий путь развития железнодорожного транспорта. Кроме того, разработаны «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД»)», одно из направлений которых – обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств.

Большинство объектов проектировалось еще до появления отечественных нормативных документов в области ЭМС. Кроме того, не способствуют улучшению электромагнитной обстановки (ЭМО) и такие факторы, как коррозия заземляющих устройств (ЗУ).

К определению ЭМО можно приступать лишь после обследования технического состояния устройств заземления как важнейшего фактора электромагнитной обстановки, и приведения его в соответствие с техническими требованиями (ГОСТ Р 50571.21-2000 и Р 50571.22-2000).

Таким образом, необходимо исследовать влияние коррозии и электромагнитных возмущений на параметры электробезопасности ЗУ и на цифровые системы тяговых подстанций, выполнить расчет заземляющих систем электроустановок с учетом их конструктивных изменений при эксплуатации, разработать способ выравнивания потенциалов в пределах ЗУ для снижения влияния электромагнитных возмущений на цифровую технику.

Работа проводилась в соответствии с планами важнейших НИР Федеральной программы «Энергоэффективная экономика» на 2002 – 2005 г. и на перспективу до 2010 г., утвержденной постановлением правительства РФ №796 в ноябре 2001 г.

Целью диссертационной работы является разработка средств повышения эффективности работы заземляющих устройств тяговых подстанций магистральных электрических железных дорог.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи.

  1. Оценить степень влияния искажающих факторов (коррозии стальных искусственных заземлителей, частоты вводимого тока и др.) на напряжение между заземляющим проводником оборудования и проводящим основанием (напряжение «до прикосновения») и напряжение на металле.
  2. Разработать инженерный метод расчета величин коррозионных токов в заземляющей системе с упрощенным определением режима работы (анод или катод) электродов, позволяющий оперативно оценивать опасность грунтовой коррозии и электрокоррозии от воздействия блуждающих токов при проектировании и в эксплуатации.
  3. Выполнить анализ коррозионных процессов при конструктивных изменениях в заземляющем устройстве.
  4. Разработать способ выравнивания «потенциалов на металле» и «потенциалов между заземляющим проводником оборудования и проводящим основанием» в пределах ЗУ для снижения воздействия возмущений на работу цифровых систем тяговых подстанций.
  5. Оценить степень снижения влияния возмущений от ЗУ на электромагнитную обстановку на тяговых подстанциях с помощью предложенного способа выравнивания потенциалов.
  6. Обследовать техническое состояние ЗУ существующих тяговых подстанций и оценить электромагнитную обстановку.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решены на основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований на эксплуатируемых тяговых подстанциях. Методической основой исследований служат теория многоэлектродных электрохимических систем, физическое и математическое моделирование процессов, аппарат регрессионного анализа и вычислительной математики. Объектами исследования были заземляющие устройства электроустановок и цифровые системы тяговых подстанций.

Научная новизна работы заключается в следующем:

разработан метод оценки степени влияния коррозии заземлителей, частоты тока, нелинейности внутреннего сопротивления элементов заземлителей, неэквипотенциальности заземляющего устройства на величины напряжения «до прикосновения» и на металле;

разработан графоаналитический метод расчета коррозионных токов в заземляющей системе с упрощенным определением режима работы электродов (анод или катод);

предложены методы расчета коррозионных токов при конструктивных изменениях заземляющих систем и выравнивания потенциала на элементах заземляющего устройства с помощью электропроводного бетона (бетэл);

определена степень снижения влияния возмущений на электромагнитную обстановку на тяговых подстанциях с помощью предложенного способа выравнивания потенциалов.

Практическая ценность диссертации.

1. Созданный метод расчета оценки степени влияния коррозии заземлителей, частоты тока, нелинейности внутреннего сопротивления элементов заземлителей, неэквипотенциальности заземляющего устройства на величины напряжения «до прикосновения» и на металле позволяет провести сравнение указанных напряжений с нормативными значениями.

2. Разработанный графоаналитический метод расчета коррозионных токов в заземляющей системе с упрощенным определением режима работы электродов (анод или катод) дает возможность количественно оценить опасность грунтовой коррозии в условиях эксплуатации электроустановок.

3. Эквипотенциальное покрытие из электропроводного бетона территории подстанции выравнивает потенциал на заземляющем устройстве, улучшает электромагнитную обстановку и снижает коррозионные потери, что позволяет обеспечить более устойчивую работу цифровых систем тяговых подстанций.

Рекомендации по использованию защитного экрана из бетэла для подстанции ПС 35/10/6 кВ дают чистый дисконтированный доход в 394 тыс. р., при этом индекс доходности больше единицы, срок окупаемости внедрения экрана 3,5 года.

Реализация результатов работы.

Графоаналитический метод расчета и рекомендации по его использованию внедрены в ЗАО «Сибирский проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт по проектированию энергетических систем и электрических сетей», с экономическим эффектом в 15 – 20 тыс. р. в год.

Проведено обследование заземляющих устройств тяговых подстанций Дальневосточной железной дороги Волочаевка ЭЧЭ-9 Хабаровской дистанции электроснабжения ЭЧ-2 и Фридман ЭЧЭ-30 Владивостокской дистанции электроснабжения ЭЧ-4. Установлено, что параметры электробезопасности (сопротивление растеканию, напряжение прикосновения) не превышают нормируемых значений, однако напряжение «до прикосновения» при пересчете на реальные токи короткого замыкания (например, 5 кА) приближается к 1 кВ, что недопустимо при внедрении цифровых систем. Следовательно, необходимо найти способы выравнивания потенциалов по элементам ЗУ.

Рекомендации по оценке технического состояния заземляющего устройства были использованы при диагностике заземлителей и оценке степени коррозии ЗС на подстанции Амурская (110/10 кВ) ЗЭС АК «Омскэнерго».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на второй междунар. науч.-техн. конф. «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Тобольск, 2004); третьей междунар. науч.-техн. конф. «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Омск, 2007); науч.-техн. семинарах и конференциях Новосибирской гос. академии водного транспорта» (2003 – 2007) и Омского гос. университета путей сообщения (2008 – 2009).

Публикации. Результаты исследований отражены в 16 научных трудах, в том числе в четырех статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации 134 с., в том числе 27 рис., 20 табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, основные направления исследования.

В первой главе проведен анализ работ М. В. Матвеева, В. Х. Ишкина, М. В. Солнцева, Б. Е. Дынькина, Ю. С. Железко, Б. И. Косарева, А. В. Котельникова, Р. Р. Мамошина, К. Г. Марквардта, В. Т. Черемисина и других ученых.

В исследованиях московской фирмы ООО «ЭЗОП» отмечается, что на электрифицированных железных дорогах (Транссибирская магистраль) опасные влияния на цифровую технику выявлены более чем на 80 % электроустановок. Большинство проблем связано с неудовлетворительным состоянием молниезащиты (40 % объектов), потенциалами на элементах ЗУ при коротких замыканиях в высоковольтной сети (30 %), неудовлетворительным состоянием связей между элементами ЗУ (30 % объектов). Следовательно, основные причины неблагоприятного воздействия на цифровую технику связаны непосредственно с состоянием заземляющего устройства.

Анализ причин возмущений и рекомендуемых мер защиты показал, что для повышения надежности работы цифровой техники необходимо одноточечное заземление оборудования («спецзаземление»).

При этом Е. С. Колечицкий, М. В. Матвеев и другие исследователи не акцентируют своего внимания на влиянии состояния ЗУ на работу цифровых систем, особенно в зоне одноточечного подключения. Соответственно не учитывается возможная коррозия элементов ЗУ, которая, как показывает практика, приводит к обрывам связи, появлению опасных возмущений и ухудшению ЭМО.

Наибольшую опасность представляет коррозия ЗУ, протекающая под действием блуждающих постоянных токов, основным источником которых является электрифицированный железнодорожный транспорт.

Кроме того, не всегда удается обеспечить спецзаземление цифровых систем, так как, согласно исследованиям, всегда наблюдаются параллельные (неконтролируемые) цепи заземления.

В исследованиях М. В. Матвеева, В. Х. Ишкина, М. В. Солнцева отмечается, что перепад потенциалов между различными точками неэквипотенциального ЗУ, например, для ЗУ ПС 500 кВ, при пересчете на реальные токи короткого замыкания (КЗ) может достигнуть 5 кВ.

Обследование технического состояния ЗУ тяговых подстанций Дальневосточной железной дороги, названных выше, показало, что на указанных тяговых подстанциях параметры электробезопасности (сопротивление растеканию, напряжение прикосновения) не превышают нормируемых значений по ГОСТ Р 12.1.038-2001. Однако напряжение «до прикосновения» при пересчете на реальные токи КЗ (например, 5 кА) приближается к 1 кВ, что недопустимо при внедрении цифровых систем.

Следовательно, возникает необходимость в разработке способов выравнивания потенциалов по элементам ЗУ эксплуатируемых электроустановок. Предлагаемые способы выравнивания потенциалов, например, с помощью укладки дополнительной сетки с мелкими ячейками из меди (стандарт МЭК 61024), требуют дополнительного исследования. Медь, как мощный катод вызовет дополнительную коррозию арматуры в бетоне, оболочек кабелей, стальных трубопроводов и т. п.

Представляется целесообразным проанализировать влияние изменения параметров электробезопасности ЗУ на изменение ЭМО. В качестве объекта воздействия электромагнитных возмущений на цифровые системы предлагается рассмотреть влияние на АСКУЭ тяговых подстанций. Проведенный анализ позволил сформулировать основные задачи, решение которых обеспечит снижение влияния возмущений от ЗУ на цифровые системы тяговых подстанций.

Во второй главе исследована неэквипотенциальность ЗУ и ее влияние на ЭМО. Максимальная «неэквипотенциальность» наблюдается при минимальном удельном сопротивлении грунта ( 10 Ом·м), но при этом наблюдается и максимальная коррозия. Кроме того, сильные коррозионные разрушения, например, в результате действия блуждающих постоянных токов от электрифицированной железной дороги, могут также привести к неэквипотенциальности заземляющего устройства, значит, к цифровой технике может быть приложено опасное напряжение.

Следовательно, реконструкция тяговых подстанций должна предусматривать не только замену оборудования, но и обследование коррозионного состояния ЗУ как важнейшего фактора электромагнитной обстановки.

Оценка состояния металлических конструкций по действующему ГОСТ 9.602-2005 – качественная (сильная, средняя, слабая коррозия). Однако названный стандарт не учитывает конструкции заземляющего устройства и не указывает, что в катодных зонах разрушения не происходит. Для устранения перечисленных недостатков предложен количественный графоаналитический метод оценки коррозии, позволяющий определять, в каком режиме (анод или катод) работает каждый из электродов многоэлектродной заземляющей системы. Физической основой метода расчета является теория многоэлектродных электрохимических систем Н. Д. Томашова и Г. В. Акимова.

Согласно алгоритму метода составляется система уравнений в виде матриц:

, (1)

где Rij – собственные и взаимные значения поперечных сопротивлений между i-м и j-м элементами; Ij – поперечный ток, стекающий (втекающий) с j-го элемента; U0 – компромиссный потенциал системы рассматриваемых элементов, соединенных «звездой»; Ui – исходные (задаваемые) электродные потенциалы одиночных элементов (до их соединения в систему).

Собственное (i = j) значение поперечного сопротивления определяется по выражению:

, (2)

где – сопротивление растеканию «металл – грунт»; – сопротивление поляризации (анодное или катодное) рассматриваемого элемента.

Система уравнений решается относительно неизвестных коррозионных токов и компромиссного потенциала системы. Погрешность предложенного метода расчета составляет 9 %.

Результаты расчетов коррозионных токов при различных конструктивных изменениях ЗУ совпали с качественными рекомендациями ГОСТ 9.602-2005.

При внедрении цифровой техники в системы электроснабжения необходимо рассчитывать параметры электробезопасности: напряжение «до прикосновения» (Uдп) и напряжение на металле (Uме), так как в аварийных и нормальных режимах работы электроустановки значения именно этих параметров ЗУ могут быть приложены к корпусам различного цифрового оборудования.

Расчет указанных параметров выполнен как для эквипотенциального, так и для неэквипотенциального ЗУ.

Параметры эквипотенциального ЗУ вычисляются методом аналогичным определению коррозионных токов, но при этом в расчете не учитываются такие параметры, как сопротивление поляризации и электродные потенциалы.

Так как матрицы заполненные, возрастают время их расчета и трудоемкость вычислений, поэтому для упрощения вычислений использовался итерационный метод расчета с погрешностью расчета 1 %.

На первом шаге итерации токи с элементов принимаются равными

, (3)

затем подсчитывается среднее значение потенциала

, (4)

далее определяется разность потенциалов , в соответствии с которой корректируются значения токов:

. (5)

После этого проводятся следующие циклы итераций до тех пор, пока величина потенциалов на каждом элементе не совпадет с их средним значением с заданной точностью.

Определив значения стекающих с элементов токов, рассчитывают напряжения «до прикосновения» и напряжение на металле.

Расчет параметров неэквипотенциального ЗУ выполняется аналогично расчету эквипотенциального ЗУ, но при этом вводится вторая система уравнений, связывающая падение напряжений с продольными сопротивлениями и токами:

, (6)

где , и – потенциалы в начальном и конечном узлах i-го элемента; , и – продольные токи в начале и в конце i-го элемента; Ij – стекающие с элементов (поперечные) токи; Iо – вводимый в заземлитель ток.

Пренебрегая индуктивными связями между элементами ЗУ, можно представить систему в виде:

(7)

где Zii – продольное сопротивление i-го элемента.

При итерационном способе расчёта для n-го узла решение систем уравнений (6) и (7) сводится к уравнению:

, (8)

где Gi – суммарная продольная проводимость i-го элемента, примыкающего к n-му узлу; gi – поперечная проводимость i-го элемента; Ui – потенциал на противоположном конце от n-го узла этого элемента; i-е число примыкающих элементов (не более четырех).

Положив на первом итерационном цикле Ui равным U0 (как на эквипотенциальном ЗУ), получим первое приближение для значения входного потенциала ЗУ:

(9)

Далее определяются потенциалы на противоположных от n-го узла концах i-х элементов по уравнению:

, (10)



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.