автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Методы расчета и технические решения заземления электроустановок протяженных транспортных тоннелей, строящихся в условиях города

Введение

Глава 1. Оценка условий электробезопасности при обслуживании электроустановок протяженных автомобильных тоннелей.

1.1. Анализ условий обслуживания и заземления электроустановок протяженных автомобильных тоннелей.

1.2. Экспертная оценка факторов, влияющих на электробезопасность обслуживания электроустановок автомобильных тоннелей.

1.3. Критерии безопасности электрического тока.

1.4. Анализ значений коэффициентов напряжения прикосновения к электроустановкам автомобильного тоннеля.

1.5. Вероятностно-статистическая оценка эффективности защитного заземления электроустановок тоннелей.

Глава 2. Моделирование электрических характеристик заземляющих устройств электроустановок строящихся тоннелей.

2.1. Геоэлектрические характеристики грунтов на площадках строящихся в средней полосе России тоннелей.

2.2. Единичный заземлитель на поверхности земли с неоднородными электрическими характеристиками.

2.3. Методика расчета параметров электрического поля токов, стекающих с железобетонных фундаментов бурокасательных свай.

2.4. Электрические характеристики полосового заземлителя, расположенного в грунтах со сложной геоэлектрической структурой.

2.5. Сопротивление растеканию комбинированного заземляющего устройства.

Глава 3. Технические решения по заземлению электроустановок протяженных автомобильных тоннелей.

3.1. Заземление трансформаторных подстанций напряжением 10/0,4 кВ.

3.2. Заземление электроприводов вентиляторов тоннелей.

3.3. Импульсные перенапряжения в кабельных сетях с металлическими покровами и их заземление.

3.4. Система обеспечения электро- и пожаробезопасности в электроустановках освещения.

3.5. Электромагнитная совместимость систем управления с силовыми цепями и электроустановками.

Глава 4. Заземление устройств электроснабжения в тоннеле электрифицированных железных дорог постоянного тока.

4.1. Конструктивные особенности железнодорожного тоннеля, влияющие на решение вопросов заземления его конструкций.

4.2. Моделирование переходного сопротивления рельсовый путь - тело железнодорожного тоннеля.

4.3. Грозовые перенапряжения на гидроизоляции железнодорожного и автомобильного тоннеля.

4.4. Внутренние коммутационные перенапряжения на металлоконструкциях и металлических сооружениях при коротких замыканиях в системе тягового электроснабжения.

4.5. Технические решения по заземлению металлоконструкций тяговой сети и определение схемных решений и параметров устройств заземления в тоннеле.

4.5.1. Требования к параметрам заземляющих устройств в железнодорожном тоннеле.

4.5.2. Выбор технических решений по заземлению металлоконструкций тяговой сети.

4.5.3. Технические решения по выполнению по выполнению системы заземления устройств тягового электроснабжения в железнодорожном тоннеле третьего кольца в районе площади Гагарина.

Система электроснабжения электроустановок переменного тока протяженных автомобильных тоннелей по предъявляемым к ним требованиям, условиям работы, используемому оборудованию, устройствам, и, наконец, по специфике их эксплуатационного обслуживания коренным образом отличается от систем электроснабжения промышленных предприятий.

Все это предопределяет особенности теории работы таких систем, методов анализа электромагнитных процессов в системах их электроснабжения.

Определенные сложности в решении проблемы электромагнитной совместимости систем управления электроустановками автомобильного тоннеля с высоковольтными линиями, в частности, с системами тягового электроснабжения, имеют место при сооружении заземляющих устройств на ограниченной площади, в частности, при сооружении тоннелей в крупных городах.

Наиболее полно проблема обеспечения электромагнитной и экологической совместимости электроустановок автомобильного тоннеля проявляется применительно к протяженному автомобильному и железнодорожному тоннелю, строящемуся в г.Москве.

Строительство третьего транспортного кольца является одной из актуальнейших и главных задач города по обеспечению и нормализации транспортных потоков автотранспорта и пассажиров в целом по всей Москве. Техническая реализация этой задачи крайне сложна из-за необходимости вписывания проектируемого кольца в сложившуюся столетиями инфраструктуру городской застройки и транспортных магистралей города. Принципиальной, весьма эффективной в смысле достижения "находкой" коллектива авторов проекта 3-го кольца и Правительства Москвы, является использование на его большей части транспортного коридора в полосе малого окружного кольца Московской железной дороги с введением на нем перевозки пассажиров электропоездами облегченного (в сравнении с ж.д.) 6 типа. Таким образом, 3-е кольцо будет мощным транспортным коридором для пассажиров, автотранспорта и грузовых железнодорожных перевозок (в ночное время). Это ставит весьма трудные комплексные задачи в создании транспортных узлов и их развязок в местах пересечения 3-го кольца с радиальными городскими магистралями, линиями метрополитена, трамвая и пригородных направлений Московской ж.д. Каждый такой узел уникален, требует индивидуальных и неординарных решений. Таким является транспортный узел на пересечении 3-го кольца с Ленинским проспектом (Гагаринский тоннель). Особенности его конструкции и возникающие проблемы в части обеспечения электробезопасности и электромагнитной совместимости большого числа разнотипных электротехнических и энергетических устройств тоннеля изложены в главе 1.

В последующих главах работы решен ряд задач, имеющих определенное научное и существенное практическое значение. К ним относятся: методика расчета параметров электрического поля токов, стекающих с заземлителей при их расположении в грунтах со сложной геоэлектрической структурой и учете искажающего действия конструкции автомобильного тоннеля; математическая модель оценки условий электробезопасности обслуживания электроустановок автомобильного тоннеля, учитывающая случайный характер факторов, определяющих опасную ситуацию; обоснование конструктивных особенностей сооружения заземляющих устройств трансформаторных подстанций, сооружаемых на ограниченной площади; алгоритм расчета импульсных перенапряжений на металлических покровах кабельных сетей и тока, втекающего в жилы кабеля при пробое его изоляции; система обеспечения электромагнитной безопасности электроустановок автомобильного тоннеля, сооружаемого в зонах электромагнитного влияния высоковольтных сетей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ

1. Разработана математическая модель расчета параметров электрического поля тока, стекающего с протяженного металлического зазем-лителя, фундаментов бурокасательных свай и т.д. при их расположении в грунтах с неоднородными электрическими характеристиками и вблизи транспортного тоннеля, тело которого изолировано от земли.

Установлено, что переходное сопротивление металлическая полоса - удаленная земля существенно зависит от удельного сопротивления второго слоя двухслойной модели земли.

Предложены номограммы для нахождения сопротивления растеканию фундаментов сваи и коэффициентов прикосновения в зависимости от геоэлектрической структуры и их геометрических параметров.

Установлена существенная зависимость сопротивления растеканию фундаментов свай от их расстояния до транспортного тоннеля.

2. Обоснована система заземления электроустановок автомобильного тоннеля, объединяющая естественные и искусственные заземлите-ли в единую заземляющую систему, сопротивление растеканию которой удовлетворяет требованиям нормативных документов.

Результаты аналитических расчетов сопротивления растеканию комбинированного заземлителя подтверждены данными экспериментальных исследований.

Система заземления электроустановок автомобильного тоннеля внедрена при выполнении заземляющих устройств транспортного тоннеля, сооруженного в г. Москве (ул. Вавилова - Ленинский проспект).

3. Предложена методика расчета импульсных перенапряжений на металлических покровах силовых кабельных сетей, возникающих при разряде токов молнии на металлическую сетку, расположенную на крыше трансформаторной подстанции.

Показана эффективность применения предложенной системы заземления и грозозащиты кабельных сетей для снижения токов, протекающих по жилам кабеля в случае стекания токов молнии с заземляющего устройства.

155

Показано, что при искусственном (электрическим путем) ограничении расчетной длины кабеля доля тока молнии, втекающего в жилы кабеля, снижается более, чем в десятки раз.

4. Разработана математическая модель расчета условий электробезопасности при обслуживании электроустановок транспортного тоннеля, учитывающая случайный характер факторов, определяющих условия электробезопасности и нелинейный характер сопротивления тела человека.

Уточнено расчетное выражение для нахождения вероятности превышения реальных напряжений, носящих случайный характер, над допустимыми величинами. Учтено, что коэффициент напряжения прикосновения к электроустановкам транспортного тоннеля зависит от конструктивного исполнения заземляющего устройства и геоэлектрических параметров грунта, носящих случайный характер.

5.Выявлены методами парного сравнения и ранговой корреляции факторы, определяющие условия электробезопасности при обслуживании электроустановок автомобильного тоннеля.

Установлена возможность появления опасной ситуации для обслуживающего персонала при возникновении аварийных режимов в тяговой сети магистральных железных дорог при их расположении в одном с автомобильным транспортном тоннеле.

6.Подтверждена необходимость для электроснабжения электроустановок напряжением до 1000 В применения системы TN-SC-S.

Обоснована система защиты электроустановок напряжением до 1000 В переменного тока от внешних и внутренних коммутационных перенапряжений. В основу построения системы грозозащиты положен известный принцип ступенчатого выбора уставки импульсных ограничителей перенапряжений при их расположении в системе электроснабжения электроустановок напряжением до 1000 В.

7.Разработана математическая модель расчета переходного сопротивления рельсы-тело железодорожного тоннеля, учитывающая особен

156 ности отекания тока со шпальной решетки на металлический каркас тоннеля.

Установлено, что переходное сопротивление рельс-тело тоннеля вновь уложенного пути распределено по логарифмически-нормальному закону с числовыми характеристиками т1дгп = 0,9 слдгп = 0.087.

Предложен метод экспериментального определения переходного сопротивления рельсы-тело тоннеля, позволяющий на постоянном токе определить локальное (в пределах блок-участка) изменение переходного сопротивления.

8.Оценена возможность нарушения гидроизоляции автомобильного тоннеля при стекании тока молнии с рельсового пути и появлении сопровождающего тока короткого замыкания.

Предложено осуществить подключение к рельсовому пути грозозащитных разрядников контактной сети на расстоянии не менее 200 м от порталов железнодорожного тоннеля.

9.Обоснована система обеспечения условий электро- и пожаробе-зопасности в железнодорожном тоннеле, включающая гальваническую связь металлического каркаса железнодорожного тоннеля с заземляющим устройством автомобильного, соединение воздуховодов с заземляющими шинами железнодорожного тоннеля, а также снижение перенапряжений на металлических конструкциях, имеющих место при нарушении изоляции контактной сети.

157

1. Евланов Л.Г., Кутузов В.А. Экспертные оценки в управлении. М.Экономика. 1978.-136.

2. Дэвид Г. Метод парных сравнений. М.:Статистика.1978.-144с.

3. Щуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. Практическое руководство. Пер. санг. М.: Мир, 1982.-238с.

4. Кендэл М. Ранговые корреляции. Зарубежные статистические исследования. М.:Статистика. 1975.-216.

5. Закс Л. Статистическое оценивание. М.:Статистика.1976.588с.

6. ГОСТ 12.1.038-82. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжения прикосновения и токов. М. Изд-во стандартов. 1982.-23 с.

7. Коллатц Л. Функциональный анализ и вычислительная математика. М.: Мир,1969.-447с.

8. Шевандин М.А., Ракова Л.Г. Учет случайной площади контакта при обслуживании электроустановок. Тр. МИИТ, 1981 .вып.682. с.15-18.

9. Косарев Б.И., Косолапое Г.Н., Кушнир А.И. Расчет заземляющих устройств и оценка условий электробезопасности при учете случайного и нелинейного сопротивления тела человека. Пром. энергетика. 1984.N12. с.35-37.

10. Косарев Б.И. Клинов В.Ю., Недовиченко А.Д. Методы расчета и измерения переходного сопротивления рельсы-обделка тела метрополитена. М.: ВИНИТИ РАН. Транспорт. Наука, техника, управление^ .2001.с.6-14.

11. Косарев Б.И. Заземление электроустановок железнодорожного транспорта в районах вечной мерзлоты. М.: ВИНИТИ РАН. Транспорт. Наука, техника, управление. №5. 2001.с. 14-20.

12. Косарев Б.И., Власов С.П. Нормирование критериев электробезопасности электроустановок железнодорожного транспорта. М.: ВИНИТИ РАН. Транспорт. Наука, техника, управление.№9,1999.с.7-12.158

13. Косарев Б.И. Статистическое моделирование переходного сопротивления рельсы-земля на электрифицированных участках с деревянными шпалами. Электричество. 1977. №9.с.58-62.

14. Косарев Б.И., Косолапов Г.Н., Кушнир А.И. Расчет и нормирование допустимых напряжений на заземленных элементах устройств железнодорожного электроснабжения. Электричество.№11.1983.с28-33.

15. Косарев Б.И., Косолапов Г.Н., Кушнир А.И. Эффективность использования рельсовых путей как элемента грозозащиты устройств железнодорожного электроснабжения в условиях вечной мерзлоты. Электричество. 1984.№7.с.21 -25.

16. Михайлов М.И., Разумов Л.Д., Соколов С.А. Электромагнитные влияния на сооружения связи. М: Связь. 1979.-264 с.

17. Михайлов М.И. Влияния внешних электромагнитных полей на цепи проводной связи и защитное мероприятие. М.:Связьиздат.1959.-583с.

18. Рябкова Е.Я. Заземление в установках высокого напряжения. М.:Энергия. 1978.-224.

19. Сибаров Ю.Г., Шевандин М.А., Маричев М.А. Анализ распределения тела человека и пороговых значений неотпускающих токов. Тр. МИИТ.1971.Вып.393.с.115-127.

20. Стрижевский A.B., Дмитриев В.И. Теория и расчет влияния электрифицированной железной дороги на подземные металлические сооружения. М.:Стройиздат.1967.-285 с.

21. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.:Энергия. 1979.-407 с.

22. Охрана труда в электроустановках. Б.А. Князевский, Т.П. Ма-русова, H.A. Чекалин и др.М.:Энергия.1977.-207 с.

23. Охрана труда на железнодорожном транспорте. Ю.Г. Сибаров, В.О. Дегтярев, Т.К. Ефремов и др.М.:Транспорт.1981-287 с.

24. Марголин Н.Ф. Токи в земле. М. ГЭИ. 1947.-215с.

25. Цапенко Е.Ф. Контроль изоляции в сетях до 1000 В. М.:Энергия.1972.-205с.159

26. Шуцкий В.И., Ахлюстин В.К. Безопасность обслуживания электроустановок обогатительных фабрик. М.:Наука.1979.-259с.

27. Gartska J. Ochrona prjeciwporajeniowa. Ochrona pracy.PRL, 1984, № 8, s.28-36.

28. Косарев Б.И. Электробезопасность в тяговых сетях переменного тока. М. Транспорт. 1989.-227с.

29. Косарев Б.И., Недовиченко A.A. Расчет сопротивления растеканию фундаментов свай при учете искажающего действия тела протяженного тоннеля ВИНИТИ РАН. Транспорт. Наука, техника, управление. № 1 2002. с.28-31

30. Недовиченко A.A. Метод расчета сопротивления растеканию комбинированного заземлителя электроустановок автомобильного тоннеля. М.: Энергосбережения и водоподготовка. № 1 2002. с.70-73.

31. Правила устройства электроустановок. М.: Энергия. 1978г.

32. Косарев А.Б., Фролов A.B., Данилин A.B., Недовиченко A.A. Электромагнитное влияние тяговых сетей переменного тока на кабельные линии связи. ВИНИТИ РАН. Транспорт. Наука. Техника, Управление. 2001. №5.

33. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров М.Наука. 1964.-772 с.

34. Анненков А.М., Шевандин М.А. Экспертное исследование безопасности труда. М.: МИИТ.1981.-31с.

35. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М. Наука,1987.415 с.

36. Зелях Э.В. Основы общей теории линейных электрических схем. М. Изд-во АН СССР.1951.-335с.

37. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных за-дачах.М.:Мир.1969.-395с.

38. Хастингс Н., Пикок Д. Справочник по статистическим распределениям. М.: Статистика. 1980.-95с.

39. Шимони К. Теоретическая электротехника.М.:Мир.1964.-685 с.160

40. Митропольский A.K. Техника статистических вычислений М.:Наука.1971.-345 с.

41. Двайт Г. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.:Наука. 1977.-224 с.

42. Документ 64 (секретариат) 342. Международная электротехническая комиссия. 1981.

43. Князевский Б.А., Косарев Б.И., Шевандин М.А. О нормировании уровня электробезопасности и допустимого напряжения прикосновения. Электричество.1978.№1 .с.81-83.

44. Ракова Л.Г. Вероятностная оценка площади контакта с токо-ведущими частями. Тр.МИИТ,вып.626.1978.-с43-47.

45. Техника высоких напряжений Под. ред Костенко M.B. М.: Высшая школа. 1973. -373с.

46. Разевиг Д.В. Техника высоких напряжений. М.Наука. 1976.467с.

47. Бургсдорф В.В., Беляев A.C., Королев С.Г. и др. Об изменении норм на заземляющие устройства электроустановок напряжением выше 1000 В с заземленной нейтралью. -Электрические станции. 1975.№3.с. 14-17.

48. Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин и др. Основы теории цепей. М: Энергия. 1965.-358 с.

49. В.И. Шелухин. Датчики измерения и контроля устройств железнодорожного транспорта. М. Транспорт. 1965. -119 с.

50. Б.И. Косарев. Влияние поверхностного эффекта в рельсах на распределение потенциалов рельс-земля при коротких замыканиях в тяговых сетях постоянного тока. М.: Труды МИИТа, вып. 282,1967 г.

51. Б.И. Косарев, Я.А. Зельвянский, Ю.Г. Сибаров. Электробезопасность в системе электроснабжения в системе железных дорог. М.: Транспорт. 1983,-200 с.

52. Е.И. Быков, Б.В. Панин, В.Р. Пупынин. Тяговые сети метрополитенов. М.: Транспорт 1987, -254 с.161

53. В.И. Шелухин, Влияние СВЧ-излучателей на эксплуатационный персонал. Автоматика, связь, информатика. М.: Транспорт №5.2002. -с 7-19.

54. К.Г. Марквардт. Электроснабжение электрических железных дорог. М.: Транспорт. 1965. —454 с.

55. Н. Балабанян. Синтез электрических цепей. М.: Госэнергоиз-дат. 1961. -375с.

56. Р.И. Караев, Б.И. Косарев. Схемы замещения стального рельса в переходном режиме. М.: Электричество. 1968. №7, -с. 11-18.

57. Б.И. Косарев. Методика расчета токов и напряжений короткого замыкания в тяговых сетях постоянного тока. М.: Тр. МИИТ, вып. 393, 1971.-c.53

58. В.Д. Радченко, С.Д. Соколов, Н.Д. Сухопрудский. Перенапряжения и токи замыкания в устройствах электрифицированных железных дорог постоянного тока. М.: Транспорт. 1959. -345 с.

59. Бинс К., Лауренсон. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. М.: Энергия. 1970.-377с.

60. Отчет по научно-исследовательской теме "Разработка технических решений по заземлению и электромагнитной совместимости электроустановок второй очереди транспортного узла третьего кольца г. Москвы в районе площади Гагарина". М.:МИИТ.2001. -69с.

61. Оллендорф Ф. Токи в земле. Теория заземлений. ГОН-ТИ.1932.-176 с.

62. Ратнер М.П., Могилевский Е.М. Электроснабжение нетяговых потребителей железных дорог. М. Транспорт. 1985.-295 с.162

63. Рекомендации по проектированию, монтажу и эксплуатации зданий при применении устройств защитного отключения. Авторы Душкин Н.Д., Монаков В.К., Старшинов В.А. М.:МЭИ.2001.-120с.

64. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети. М.: Транспорт. 1995. 78с.

65. Инструкция по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных дорогах. М.: Транспорт. 1997.-68с.

66. Котельников A.B. Блуждающие токи электрифицированного транспорта. М.: Транспорт. 1986. -223с.

67. Косарев А.Б. Анализ импульсных перенапряжений в неоднородных рельсовых цепях. М.: Труды МИИТа. Вып. 819. 1990.-112-115с.

68. Котельников A.B., Косарев А.Б. Электромагнитное влияние тяговых сетей переменного тока на металлические конструкции. М.: Электричество. № 9. 1992.-26-34с.

69. Косарев А.Б., Наумов A.B., Косарев Б.И. Заземление и грозозащита устройств связи и автоблокировки в районах со скалистыми и вечномерзлыми грунтами. М.: Вестник ВНИИ жел. дор. транспорта. 1996. №2. 17-20с.

70. Справочно-методическое пособие «Устройства электрификации и продольного электроснабжения». М.: Транспорт. 1982.-263с.

71. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации. М.: Транспорт. 1997. 77с.

72. Дмитриев В.Р., Смирнова В.И. Электропитающие устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М.: Транспорт. 1983.-215с.

73. Недовиченко A.A. Известия Академии промышленной экологии. № 2 2002. с. 47-55. Экспертная оценка факторов, влияющих на электробезопасность обслуживания электроустановок автомобильных тоннелей.163