автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Определение температуры и влажности грунта для расчета сопротивлений заземлителей

На правах рукописи

005002114 /^м

ИСАБЕКОВА БИБИГУЛЬ БЕЙСЕМБАЕВНА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА ДЛЯ РАСЧЕТА СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»

1 7 НОЯ 2011

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Омск, 2011

005002114

Работа выполнена в:

Научный руководитель:

ФГБОУ ВПО Омского государственного технического университета и РГКП «Павлодарского государственного

университета им. С. Торайгырова» (Республика Казахстан)

доктор технических наук, профессор Клецель Марк Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Федоров Владимир Кузьмич

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Кондратьев Юрий Владимирович

ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Защита диссертации состоится «29» ноября 2011г. в 16-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.12 при Омском государственном техническом университете, по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, корп. 6, ауд. 340. Тел/факс: (8-3812)65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета по адресу; 644050, г. Омск, проспект Мира, 11.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, Ученый совет.

Автореферат разослан «29» октября 2011г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Д.С. Осипов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Работа электростанций и электроэнергетических систем немыслима без заземляющих устройств (ЗУ). Важнейшей характеристикой ЗУ является их электрическое сопротивление, которое пропорционально удельному электрическому сопротивлению р грунта, а р меняется в широких пределах в зависимости от температуры I, влажности V и вида грунта. Большой вклад в определение р внесли Карякин Р.Н., Солнцев В.И., Долин П.А., Саркисова Л.А. и др. Известные формулы и сезонные коэффициенты, рекомендуемые ПУЭ, по которым можно рассчитать р, дают лишь приблизительную картину его изменения от выше перечисленных параметров, что влечет за собой усложнение конструкции устройства заземления и увеличение количества металла для его изготовления. Анализ широко известных программ для определения параметров заземлителей, например «ОРУ-Проекг» (НПФ ЭЛНАП, Москва, 2008г.), «гагетШе! 1.0» (используется в Энергопроект-Севере и ОАО НМУ-2 "Сибэлектромонтаж") показывает, что р в них или измеряют и потом вводят поправочные коэффициенты, учитывающие климатическую зону и влажность на момент измерения, или выбирают среднее его значение, пренебрегая зависимостью от / и V. Это приводит к погрешностям расчета до 60%. Предложенная в последнее время Павлодарским государственным университетом им. С. Торайгырова методика*, разработанная на основе использования нечеткой логики, позволяет более точно определять р грунта в зависимости от его температуры I и влажности V. Но она требует большого количества трудоемких измерений / и V грунта и не учитывает влияние его плотности.

В связи с вышеизложенным, возникает необходимость, не делая трудоемких измерений, определять в любое время года значения г и V грунта на глубине ЗУ и зависимость р грунта от его плотности, а также разработать алгоритм расчета р с учетом изменений вышеперечисленных параметров и программу для определения сопротивлений заземлителей.

Таким образом, тема диссертации, посвященная решению этих задач,

* Зайцева Н. М., Зайцев Д.С-, Клецель М.Я. Зависимости удельного электрического сопротивления грунта от влажности и температуры //Электричество.- 2008. - №9. - С. 30-34.

является актуальной.

Объектами исследования являются удельное электрическое сопротивления р грунта и сопротивление заземлителей.

Предмет исследования: разработка методов, позволяющих без трудоемких измерений определять температуру, влажность и плотность грунта для расчетов р на электрических станциях и в электроэнергетических системах.

В данной работе не рассматривается зона вечной мерзлоты в связи с тем, что грунты в этих районах имеют большие особенности.

Цель работы - разработка методов, совершенствующих определение сопротивлений заземлителей.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ существующих методов расчета р и сопротивлений ЗУ для выявления их недостатков;

- разработка методов расчета влажности грунта (на глубинах до 15м) и его температуры (по данным метеоцентров и на основе теплофизических характеристик грунта, полученных в лабораторных условиях) в средних широтах, не требующих трудоемких измерений;

- уточнение зависимости р грунта от его плотности;

- разработка алгоритма вычисления р грунта на основе вышеуказанных методов и программы для определения сопротивления ЗУ в однородном, двухслойном и многослойном грунтах на электрических станциях и в электроэнергетических системах.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, численные методы, теория нечеткой логики. Проводились компьютерное и физическое моделирования. Программа выполнена в среде программирования Turbo Delphi.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются незначительным отличием экспериментальных данных от результатов расчетов, проведенных по разработанным методам. Эти результаты свидетельствуют о правильности принятых допущений и использования нечеткой логики для решения поставленных задач.

Научная новизна:

- разработаны методы определения зависимостей влажности грунта на глубине до 1м от средней скорости ветра, количества осадков и температуры на поверхности грунта и на глубинах от 1м до 15м от уровня грунтовых вод. В отличие от известных, они основаны на использовании нечеткой логики;

- получена новая зависимость температуры грунта от его глубины и времени года, основанная на использовании теории теплопроводности Фурье и данных метеостанций, но без применения коэффициента температуропроводности;

- получены зависимости темплоемкости и температуропроводности грунта от влажности, на основе которых по известным формулам рассчитывается температура грунта. При разработке зависимостей впервые использована нечеткая логика;

- уточнены формула для расчета сопротивлений заземлителей и зависимости удельного сопротивления песка, супеси и суглинка от их плотности.

Практическая ценность работы:

- один из разработанных методов позволяет определять влажность грунта по данным метеостанций на глубине до 1м с погрешностью, не превышающей 50%, другой - по данным геологоразведочных центров на глубинах от 1 до 15м с погрешностью до 20% для сухих грунтов и 10% для влажных.

- третий и четвертый дают возможность находить температуру грунта на глубинах до 15м в средних и до Юм в южных широтах с погрешностью 4-15% и на глубине до 1м с погрешностью до 10%.

- полученные зависимости р супеси, песка и суглинка от их плотности уточняют расчетную величину р на 3-9%;

- алгоритм и программа, разработанные на основе использования предложенных методов, дают возможность определять р фунта и сопротивление ЗУ на электрических станциях и в электроэнергетических системах с погрешностью до 30% без трудоемких измерений температуры и влажности на глубине заземлителей.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методы определения влажности грунта на базе нечеткой логики в

5

зависимости от климатических условий и уровня грунтовых вод;

- зависимость температуры грунта от времени года и глубины до 15м в средних широтах и до Юм в южных по данным метеостанций;

- метод определения теплофизических характеристик грунта для расчета его температуры;

- зависимость удельного сопротивления грунта от его плотности;

- алгоритм расчета р грунта с использованием вышеуказанных методов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы

используются в Павлодарском государственном университете им. С.Торайгырова в учебном процессе на кафедре «Автоматизация и управление». В ближайшее время предполагается использовать разработанную программу на электростанциях Экибастузского энергетического комплекса и на Ермаковской ГРЭС, а также в Павлодарском ТОО «ДорРемСтрой ПВ», где экономический эффект от внедрения составит около 309500 руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!» (г. Омск, 2008г.), на ХП и XIII Международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» (Украина, г.Алушта, 2008г. и 2010г.), заседаниях научных семинаров кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (Казахстан, гЛавлодар, 2011г.), кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (г.Омск, 2011г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи из перечня ВАК РФ и 6 статей в научных изданиях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.

Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач и методология их решения разработаны автором самостоятельно.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 109 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 3 таблицы, список

б

использованных источников из 97 наименований и 6 приложений.

Автор выражает признательность к.т.н. Зайцевой Н.М. за консультации по ряду вопросов, затронутых в работе.

Основное содержание работы

В ведении обоснованы актуальность и цель работы, отражены научная новизна и практическая ценность (значимость). Описаны методы исследования поставленных задач, а также даны положения, выносимые на защиту.

Сделан вывод о необходимости разработки методов, совершенствующих определение сопротивлениий заземлителей.

В первой главе «Анализ методов определения сопротивлений заземлителей на электростанциях и в электроэнергетических системах» рассмотрены виды заземлений и часто используемые формулы расчета сопротивлений ЗУ для однородного и двухслойного грунтов, метод оптической аналогии для многослойного грунта и наиболее известные программы для определения параметров ЗУ. Расчеты по этим формулам, методам и программам достаточно точны, если р в них определяется экспериментально. Как показано в работе, эти эксперименты весьма трудоемки и проводить их зимой проблематично. Проанализированы известные формулы и методики определения р грунта в зависимости от температуры I, влажности V, вида грунта, времени года и его плотности. Акцентируется внимание на то, что расчеты по ним, или с использованием сезонных коэффициентов, рекомендуемых ПУЭ, могут давать погрешности до 60%. Методика1, дающая возможность более точно рассчитать р, разработанная с использованием нечеткой логики, предполагает знание значения / и V грунта на глубине заземлителя, что требует их измерений в течение года. Она также не учитывает влияние уплотнения грунта. На основе изложенного делается вывод о необходимости создания методов, позволяющих без трудоемких измерений рассчитать р в зависимости от температуры, влажности и плотности грунта.

Рассмотрен математический аппарат нечетких множеств, так как он позволяет решать задачи с неполными и неточными исходными данными, а влажность V является нечетким понятием из-за отсутствия четкой границы

7

между понятиями «сухо» и «влажно». Описаны нечеткая переменная (НП) V с базовым терм-множеством и функции принадлежности (ФП) (у) б [0,1], которые представляют собой некоторое субъективное измерение нечеткой принадлежности элемента V заданному множеству. Если д (у) = 1, то элемент четко принадлежит данному множеству, если ^¡(у) = 0, то - не принадлежит.

N

Строящаяся модель имеет вид у а = гДе ^/ОО" регрессионная

ы

зависимость, полученная экспериментально, N - количество интервалов.

Во второй главе «Определение влажности и плотности грунта для расчетов его удельного электрического сопротивления» рассмотрены следующие вопросы:

/. Построение многофакторной модели, позволяющей определять влажность V грунта на глубине до 1м. Для построения использовались усредненные данные метеостанции г. Павлодара за 2005-2008гг.: количество осадков ос, мм, температура на поверхности грунта г«, °С и средняя скорость ветра ив, м/с. Экспериментально получена линейная функция V (с применением метода наименьших квадратов), которая выглядит так:

^ = -4,10 + 0,03 • ос - 0,007 • +1,3 ■ ив, (1)

Для определения влажности в любое время года добавим нечеткую переменную «влажность». В зимние месяцы влажность не изменяется, так как осадки накапливаются в виде снега и льда на поверхности земли и не проникают вглубь. В первый временной интервал моделирования входят месяцы, в которых температура воздуха устойчиво держится ниже нуля градусов Цельсия (для нашей климатической зоны с ноября по февраль), во второй - с апреля по октябрь. Таким образом, можно считать, что ФП //,(т)=1 и /12(т)=0 с ноября по февраль, а с апреля по октябрь -. //,(т) =0 и ц2{т)-\, где т - номер месяца. Интервал переключения - март (месяц активного снеготаяния) подекадно, в котором (ш)=ехр(-0.68- (сМ— I)2) и /^(от)=1-ехр(-0.68 (аИ-1)2), где <М - декада марта, 0,68 и 1 - определяют степень нечеткости и положение на числовой оси параметра влажность.

Сказанное иллюстрируется рисунком 1 и записывается следующим образом: 1, 10£/я<2

exp(-0,68-(dd-\)2), т = Ъ> Мг(т) = \~м1(т). (2) О, 4 «£ т <, 9

цх(т) =

ноябрь февраль

т, месяцы апрель октябрь

Рисунок 1 - Семейство ФП для определения влажности по месяцам В результате получена зависимость vor времени года (по месяцам):

v = v]('"=10)-//1(m) + vr//2(m),

(3)

где 10) - влажность, рассчитанная по (1) за октябрь месяц, т.к. в зимние

месяцы она не изменяется. Причем, в марте количество осадков, накопленное в виде снежного покрова за зимние месяцы, рассчитывается их суммированием за месяцы с ноября по март.

Адекватность метода доказана по критерию Рж Фишера (оценивается степень отклонения V, вычисленной по (3)). Зависимость V от времени года представлена на рисунке 2. 7,5-п 6,5-

6 11 Рисунок 2 - Сопоставление полученной зависимости v от т с данными

метеостанции за 2005-2008гг. на глубине 1м.

Таким образом, полученная зависимость влажности (для глубин до 1м) от среднемесячного количества осадков, температуры на поверхности грунта и скорости ветра позволяет находить ее с погрешностью не превышающей 50%

2. Определение влажности грунта на глубине от 1 до 15м. Влажность грунтов, не подверженных замерзанию, расположенных ниже 1м, практически не зависит от климатических условий, а меняется с учетом от уровня грунтовых вод. В разработанном методе используется нечеткая логика и высота ИКП капиллярного поднятая (для песка - 0,5м, для супеси - 1м, для глины - 2,5м), а также данные геологоразведочного центра. Добавим нечеткую переменную «близость грунтовых вод» ИГВ. Введем два терма: первый «рядом» с функцией

принадлежности и второй «далеко» с Мг^гв)- Тогда будет два

интервала: первый на промежутке 0 < Игв < 0,8Ает м; второй - Игв £ , м; интервал переключения - 0,8^ <ИГВ <ИКП, м. Выбрано число 0,8Ага, т.к. с этого расстояния начинает высыхать грунт. Когда имеются два интервала, принято выбирать из числа стандартных функций принадлежности Ъ- и Б-функции для иЛ^гв) и Аг(^гл)- Дл* терма «рядом» на первом интервале А(Л/-в)=Ь на втором А|(А/в)=0, на интервале переключения

Агп - 0,8 •

Ькп

х-а Ъ-а'

соотношения сторон ав/ах=св/бх треугольников асе и хба, т.к. они подобны (рис.1). Для терма «далеко» ц2{Игв)=\-щфгв) на этих же интервалах. Отметим, что для построения функции принадлежности по оси ординат масштаб не имеет значения. //,(йга) и Мг^гв) представлены на рисунке 3 и имеют вид:

X о^Ага<о0, Нгв^\1т

/"](Лга)=1—'——• Последняя определяется так: если Ц\(ИГВ)

и»^ • Яд

убывающая, то м^гв^-Мг^гв), а Она вычисляется из

ОЯ-И^Иг^Ит' Ъ(Ьгв)=1-Ц(ЬГв)- (4)

0,2-Ит • - "кп-"гв*"кп 10

О О.ВЬкп ькп

Рисунок 3 - Функции принадлежности и Мг(^гв)

2

Формула для определения V запишется: ^ = Игв).

Зависимость т]х (Игв ) построена по данным геологоразведочного центра в виде кривой, полученной при использовании метода наименьших квадратов, например для песка щ(Ъгв)=М-21 ■ Игв, а (4,5 - влажность

естественного залегания песка). В результате влажность грунта определяется по формулам:

где коэффициенты 18, 23, 50 - это максимальная влагоемкость грунтов. Для влагонасыщенного грунта, например песка, процентное содержание влаги может быть и 25%.

V»«» = (18- 27 • Игв) -нФгв) + 4,5 ■

= <23 -19'3 • кгв)' М(Ага) + 3,5 • Мг^гвУ, V«« = (50 -12,8 • • А (М +18-^ (йга),

(5)

г

1

12

интервал переключения Второй интервал

хг Ь,м

5 5,2 5А 5,6 5,8 б

Рисунок 4 - Определение влажности песка 11

Например, для песка на глубине /1=5,2м (точка хи рис. 4) нужно определить влажность грунта, при этом уровень грунтовых вод Ауга=5м. Рассчитывается й/з =1/^/^=0,2м., что соответствует терму «близко», т.к. 05Ага<0,8Ауа7 с цх(Игв)=\ и //2(Ага)=0 (рис. 3), влажность у=18-27-Агв = 12,6 %. Если Л=5,8м (точка х2), то А/у=0,8м, 11Х(ЬГВ)=Ъ, р2(Игв)=1, у=4,5%. Если А=5,47м (точка *), то А/-в=0,47м. Эта точка лежит на интервале переключения

0.г-Нкп<ИггвйИЮ1> то ///Ага;=0,3 и по (5)

0,2 • Пкл

определяем г=4,7%.

Рисунок 5 - Зависимость влажности V (кривые 3,4) и температуры / (кривые 5,6) от глубины А, и данные (1,2) геологоразведочного центра

Были произведены расчеты V по (5) для двух геологоразведочных скважин в районе Павлодарской области. На рисунке 5 представлены: экспериментальные данные, обозначенные 1 и 2 (скважина 704 от 06.01.2007г. и скважина 403 от 25.05.2006г), и кривые 3 и 4, рассчитанные по (5) для трех слоев (супесь, песок и глина), соединенных между собой тонким пунктиром. Кривые 3 и 4 имеют скачки влажности V. первый резкий скачок V объясняется наличием грунтовых вод на глубине 4м и 6,8м, соответственно, второй - из-за разной влагоемкости каждого слоя песка и глины. При этом для песка V максимальна с 4м до 5м (кривая 3) и с 6,8м до 11м (кривая 4), т.к. на этих глубинах находятся грунтовые воды.

Адекватность метода подтверждена с помощью критерия Фишера. Таким

образом, зная количество слоев, их вид и глубину залегания грунтовых вод, по формуле (5) можно определить влажность грунта в любое время года на глубине от 1 до 15м. (Погрешность расчета не превышает 20% для сухих и 10% для влажных грунтов).

3. Зависимость удельного сопротивления грунта от его плотности. Степень уплотненности с!гр грунта оказывает непосредственное влияние на его р наряду с V и Л Для определения зависимости р от с1гр была изготовлена установка, содержащая трубу, закрепленную вертикально, два внутренних электрода, размещенных в радиальных отверстиях в средней части трубы, и два внешних, закрепленных в верхней и нижней части трубы. В трубу загружался образец грунта известного веса, влажности и температуры, и для уплотнения подвергался виброобработке. Затем на внешние электроды подавалось заданное напряжение, а ток на внутренних электродах измерялся амперметром. В результате были получены экспериментальные данные для песка, супеси и суглинка при разной степени увлажненности. При этом использовались сыпучие виды грунтов, не имеющие глыбистых образований и примесей. У песка длина столбца изменяется от 1,98 до 1,78м (на 10%), а в увлажненном виде на 21%, т.е. с увеличением влажности грунт хорошо трамбуется. Суглинок уплотняется на 10-25%, и длина столба данного грунта при увлажненности в 2,5% изменяется на 15%.

Рисунок 6 - Зависимость р песка от кривые 1,2 - с камнями и пустотами, кривые 3,4,5 - однородный сыпучий грунт, 6 - экспериментальные данные, 7- данные геологоразведочного центра.

Из рисунка 6 видно (прямая 5, данные 6 и 7), что с ростом плотности грунта р увеличивается. Эти эксперименты обработаны с помощью метода наименьших квадратов. Получены следующие зависимости для суглинка и песка:

_ о -1,03+0,54-а^ _ о -1,06+0,84-^

Рпесок ~~ Р , Рсуглинок Р ' в ^ (6)

где р° - удельное электрическое сопротивление, вычисляемое по методике', <{гр- плотность естественного залегания грунта.

Существует утверждение, что чем выше т. е. чем лучше утрамбован грунт, тем меньше его р. Объясняется это тем, что с уплотнением грунта исчезают свободные пространства между его частицами. Следовательно, повышается его способность удерживать влагу, благодаря чему и увеличивается проводимость грунта. В связи с этим при устройстве заземлений необходимо тщательно трамбовать грунт. Это утверждение справедливо для глыбистых неоднородных грунтов с комками и пустотами, где зависимость р от с!гр имеет резкое уменьшение (рисунок 6, кривые 1,2). Затем, когда пустоты исчезнут, р постепенно увеличивается линейно по (6). Это доказано экспериментально (см. рисунок 6). Емкость с определенным радиусом и высотой заполнялась грунтом известных веса, V и /, и подвергалась не виброобработке, а давлению определенным весом. Для эксперимента брался грунт с комками и пустотами и без них. Чем больше комков и пустот в грунте, тем изменение зависимости р от плотности резче. Изменение от V для песка и супеси практически линейное, а для суглинка нелинейное. Таким образом, влияние г и V на незначительно: при увлажнении песка с 0 до 10% его с1гр увеличивается на 314 кг/м\ При этом р уменьшается с 6100 Омм до 16 Омм (в 380 раз), а при изменении с!гр на 314 кг/м3 увеличивается на 3,2-Ю"30мм.

Из данных геологоразведочного центра Павлодарского региона видно, что плотность естественного залегания, например, песка средней крупности составляет 2,1-Ю3 кг/м3. Слегка влажный песок уплотняется от 1,74 до 2,1-Ю3 кг/м3. Наши расчеты по (6) показывают, что при этом р изменяется на 12%. Если песок сухой, то меняется от 1,98 до 2,16-103 кг/м3, а р на 9%. Полученные результаты могут быть использованы при корректировке

14

параметров ЗУ электроустановок при последующем оседании грунта.

В третьей главе «Определение температуры грунта» рассмотрены следующие вопросы:

1. Анализ существующих методов определения температуры грунта.

2. Определение температуры * грунта в любое время года на основе её среднемесячных значений. На основе анализа данных метеоцентров и теории теплопроводности Фурье нами разработана следующая формула для глубин до 15м в средних широтах и до Юм в южных:

где g - количество суток (дни), коэффициент «20» - учитывает запаздывание (в сутках) максимума (минимума) годового колебания / на 1м глубины относительно I поверхности грунта, ¡п и Ад - температура и глубина «слоя постоянной Л>, "С, 1п близка к средней годовой / поверхности грунта, например для средних широт ~ 8°С; Ад - амплитуда колебания / поверхности грунта (относительно слоя постоянной годовой 0 на требуемой глубине, "С; Ащ -амплитуда колебания г на глубинах с постоянной годовой температурой, приблизительно Лщ»0,ГС; Ап 1лтах-1цЫп)/2,1Птш и 1Пт,п - максимальная и минимальная среднемесячная / поверхности грунта за год для данной местности. Так, например, для Калининграда Лл=10,5°С и /л=8°С.

Мы ограничились глубиной 15м в средних широтах и Юм в южных в связи с тем, что начиная с этих глубин температура, как известно, увеличивается на 3°С на каждые 100 м.

Проверка адекватности метода выполнялась для двух регионов средней и одной южной широты: Калининграда, Павлодара (данные метеостанции за 2005-2008 гг.) и Ставрополя. Вычисленные значения годового хода температур имеют на глубине 10-30см максимальное расхождение с данными метеостанций перечисленных выше городов не более 3"С, что объясняется влиянием суточных колебаний /. И как показывают расчеты Р для разных грунтов и температур по методике*, ошибка в УС приводит к погрешностям

И

при определении Р, не превышающим 10%. С увеличением глубины расхождение уменьшается, а на глубине 7м эта величина уже составляет не более 0,8 "С.

Однако формула (7) не учитывает суточные колебания /, вид грунта и его влажность, что, как показывает дальнейший анализ, увеличивает погрешности определения / на 5-5-10%. Зависимости изменения (по глубине, рассчитанные по (7) для июля и января месяца, представлены на рисунке 3 (кривые 5, 6). Из их анализа и данных метеостанций за 2000-2009гг. видно, что температура верхних слоев грунта сильно изменяется, а в глубоких почти постоянна и стремится к среднему значению ¡п- Таким образом, формула (7) дает возможность на стадии проектирования заземлителей определить / грунта по данным метеоцентра с погрешностью не более 4*15% в любое время года на глубине до 15м в средних и до Юм в южных широтах.

3. Определение / на глубине заземлителей. Производиться на основе предложенного в данной работе метода определения температуропроводности К и объемной теплоемкости с грунта по известным формулам:

Т = сК 1Г1Тт ' -*Н<2-АХ (В).

«2

где <2« '1 и /о - температуры грунта для глубин И2,Ь{(Ь{=0) и к, т- интервал времени ее изменения от /2 ДО /(.

Сначала рассчитывается тепловой поток, идущий на нагревание верхнего слоя грунта, / которого измеряется. Затем количество тепла, расходуемое на нагревание более глубоких слоев без температурных данных. И, наконец, из

общего теплового потока То6щ— Т+АГ находится / на нужной глубине.

«с» и «К» определялись с помощью калориметра (рисунок 7), состоящего из сосуда 1 с водой 2, в котором находятся: камера 3 (капсула) сначала с водой, а потом с грунтом, нагреватель 4 (кипятильник), термометры 5 и 6. Температура измеряется через равные промежутки времени для определения количества теплоты, введенного в калориметр. Нагрев в капсуле фиксируется термометром 6, а изменение {в калориметре термометром 5.

Для определения теплоемкости с„ калориметра, учета теплопотерь и теплоемкости сгр грунта используется уравнение теплового баланса £?2 = бэ > гДе Qг- теплота, выделяемая водой в калориметре, Q3 - теплота, воспринимаемая капсулой (грунтом). Они определяются по следующим формулам, записанным на основе элементарных понятий физики:

Ог =тг-&2-ск +УпГт, & -са +тъе{гру&ъ-с<гр),

где ск - теплоемкость калориметра, кал/см3-град; т2 - масса воды в калориметре, кг, Уп, - скорость теплопотерь калориметра, кал/сек; г -промежуток времени, через который проводится измерение /, сек; т3а - масса капсулы, кг; са-теплоемкость капсулы, кал/см3-град; ^^-теплоемкость воды (грунта), кал/см3трад; т3в(грГ масса воды (грунта) в капсуле, кг; Д/2 ='22 "'21 и Л/3 =/32 -<3), где <22.'21 и <з2>'з1 -температуры (°С) в калориметре и в капсуле в разные моменты времени.

Эксперименты проводятся в следующей последовательности: 1) Калориметр наполняется водой для определения скорости Уп, его теплопотерь.

2) Для определения теплоемкости Ск калориметра сначала в него и в капсулу заливается вода. Температура воды в калориметре нагревается до 95°С, затем туда помещается капсула, í воды в которой 25°С. Показания термометров регистрируются через каждые две минуты. Из уравнения теплового баланса 02=Рз вычисляется ск. 3) Для определения теплоемкости сгр грунта в капсулу засыпается грунт (песок, супесь, глина) определенной массы и влажности. Затем она помещается в калориметр с водой, нагретой до 95°С. Измеряется /

17

воды в калориметре и I грунта через каждые две минуты. Эти данные заносятся в таблицу. Из уравнения теплового баланса р2=СЬ находится сгр. 4) Затем из (8) определяется температуропроводность К.

Зависимости теплоемкости с от влажности у найдены на основе наших экспериментальных данных с помощью регрессионного моделирования. Ниже приведены эти зависимости для песка и глины:

с„ =(0,014- 0,345); са =(0,013-к+ 0,27) (9)

Определение зависимости К от V выполнено с помощью нечеткой логики и экспериментальных данных, полученных нами с помощью калориметра. Так для песка, супеси и глины:

К =(0,19- V+0,74) • д (у)+(-0,044-Кс = (0,525- у - 0,94) • (у)+(-0,18- V+6) • (V); Км - (0325- V+0,1) • Д (V)+(-0,325- У+1 6) • ^(у), где V - влажность, заданная нечетко, первый интервал 0<у<35% - «сухо», второй - 65<у<100% - «влажно», область переключения: 35<у<65%, {цг) -ФП, принимающая значение 1 (0) при 0<у<35% и значение 0 (1) при 65<у<100%.

Разработанный метод определения теплофизических характеристик грунта позволяет рассчитать его / с погрешностью менее 10% на глубинах до 1м.

В четвертой главе «Разработка программы для расчета сопротивлений заземлителей, учитывающей предложенные методы» представлены алгоритмы и программа для расчета р. В известную формулу для определения р влажность \„ подставляется из (5) и температура /-из (7). В результате формула р песка для глубин до 15м принимает вид:

при1>0: рп = [б,8 • 0,4У" +1,5-0,9"» (>,)]• е-0'022*7-20^ (Ц) где Ц,(у) • функции принадлежности из методики1,

при КО: рп =16,8.0,4"» -/^+1,5-0,9"" • . (12)

• (-343- уп2 + 85.5- уя -0.9|- 0.8/'+и.

Таким образом, для определения р необходимо знать глубину А,

18

температуру ¡л и амплшуду Ал колебания температуры на поверхности грунта, количество дней § (от 0 до 365), широту данной местности и расстояние Игв от уровня грунтовых вод. Предлагаемая нами программа позволяет определять и строить зависимости р от температуры и влажности грунта в любое время года (рисунок 8). И выбрать или уточнить самый наихудший вариант значения р с погрешностью до 30% по сравнению с экспериментальными данными. Из рисунка 8 видно, при увеличении влажности грунта р уменьшается в весенние и осенние месяцы (кривые 1,3), если у=0%, то наоборот р увеличивается (кривая 5). С увеличением глубины залегания ЗУ р грунта более стабильно (кривые 2,4).

Рисунок 8 - Сопоставление полученных по (11)-(12) зависимостей р песка в течение года для глубин 0,7м и 2,5м (кривые 1 и 2) и для глубины 0,7 с у=0% (кривая 5) с широко известными данными (кривые 3,4) и с экспериментами (6).

Программа также позволяет выводить результат расчета V и < для каждого слоя, строить графики изменения I вглубь грунта в любое время года, зависимости р грунта от V и г Для примера, на рисунке 9 представлены зависимости р от \1, у2, у5 и ¡1, 12, ¡3 для первого, второго и третьего слоев супеси, песка и глины, соответственно.

Разработана программа для расчета заземлителей, как простых, так и сложных, в однородном, двухслойном грунтах с учетом температуры, влажности, плотности, вида грунта и времени года. Она позволяет построить

графики изменения сопротивлений горизонтального и вертикального заземлителей в любое время года. Реализован алгоритм расчета взаимных сопротивлений ЗУ (вертикальных, горизонтальных и вертикального с горизонтальным электродами) в двухслойном и многослойном грунтах с использованием оптической аналогии. Программа написана на языке программирования Delphi.

Рисунок 9 - Зависимости удельного сопротивления трех слоев грунта от температуры и влажности.

В работе решена научно-техническая задача разработки методов, дающих возможность без трудоемких измерений определять температуру, влажность и плотность грунта для расчета его удельного электрического сопротивления р и сопротивлений заземлителей на электростанциях и в электроэнергетических системах. Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации.

1 Разработаны методы, позволяющие определять влажность грунта. Первый для глубин до 1м в зависимости от климатических условий с погрешностью не выше 50%, а второй - от 1м до 15м - от уровня грунтовых вод с погрешностью не выше 20% для сухих и 10% для влажных фунтов. В отличие от известных, они основаны на использовании нечеткой логики.

2 Найдена зависимость температуры грунта от его глубины и времени года

20

0

5 7 9 11 13 15 t,°C

Основные выводы и рекомендации

на основе данных метеостанций (погрешность расчета до 15%), но без использования коэффициента температуропроводности.

3 Разработан метод определения теплофизических характеристик грунта глубиной до 1м, позволяющий рассчитать его температуру по известным формулам с погрешностью до 10%. При его разработке впервые использована нечеткая логика.

4 Уточнена зависимость р фунта от плотности.

5 На основе созданных методов разработаны алгоритмы и программа, дающие возможность определять р грунта и сопротивления заземляющих устройств с погрешностью до 30% без трудоемких измерений температуры и влажности на глубине заземлителей.

6 Предполагается внедрение разработанной программы на электростанциях Экибастуза (ГРЭС-1 и ГРЭС-2), Павлодара, Ермаковской ГРЭС и на других предприятиях, например в ТОО «ДорРемСтрой ПВ». Внедрение этой программы позволит за счет освобождения персонала от трудоемких измерений удельного сопротивления грунта получить, например, в упомянутом ТОО годовой экономический эффект 309500 руб.

7 Рекомендуется применять следующие результаты работы:

а) для глубин грунта до 1м - методы определения влажности и температуры грунта.

б) для глубин от 1м до 15м - зависимости влажности от уровня грунтовых вод и зависимость температуры от глубины грунта и времени года;

в) зависимость р грунта от его плотности;

г) программу для расчета удельного электрического сопротивления фунта и сопротивлений заземлителей.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК

1. Исабекова Б.Б. Зависимость удельного сопротивления фунта от плотности / Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова, Д.С. Зайцев // Известия высших

учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2009.- №5-6.- С. 138-141.

21

2. Исабекова Б.Б. Расчет удельного сопротивления грунта с учетом колебаний его температуры/Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова, МЛ. Клецель// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. -2010.-№1-С.84-87.

3. Исабекова Б.Б. Определение влажности грунта на глубине заземлителей / Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. - № 2-С. 352-355.

4. Исабекова Б.Б. Определение температуры грунта на глубине заземлителей / МЯ. Клецель, Н. М. Зайцева, Б.Б. Исабекова // Электричество. -2011,-№7.- С. 19-24.

Статьи в российских и инновационных изданиях, материалы международных и региональных конференций

5. Исабекова Б.Б. Разработка температурно-влажностной модели однородного грунта / Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова // Вестник ИНЕУ. Павлодар - 2008. - №1. - С45-53.

6. Исабекова Б.Б. Моделирование годового колебания температуры вглубь грунта для расчета его электрического сопротивления / Исабекова Б.Б., Зайцева Н.М. // Труды XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» МКЭЭЭ-2008, Алушта, Крым - 2008. - С. 303

7. Исабекова Б.Б. Разработка программной реализации для определения сопротивления заземлителя / Н. М. Зайцева, Б.Б. Исабекова // Всероссийская научно-техническая конференция «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!» - 2008. - С. 48-52

8. Исабекова Б.Б. Моделирование электрических характеристик простых заземлителей в зависимости от климатических условий / Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова //Наука и техника Казахстана. - 2008. - №3. - С. 30-31.

9. Исабекова Б.Б. Technique of determination of ground temperature at a depth of grounding conducter / N.M. Zaitseva, B.B. Isabekova, M.Y. Kletsel // 13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components ICEEE-2010 - 2010. - C. 51-52

10. Исабекова Б.Б. Dependence of resistivity on density /N.M. Zaitseva, B.B.

22

Isabekova, D.S. Zaitsev //13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components ICEEE-2010 - 20I0.-C.52-53.

Личный вклад. В работах, опубликованных в соавторстве, диссертанту принадлежат: методы расчета влажности и температуры [3,6-10]; алгоритмы и программа для расчета р грунта и сопротивлений заземлителей [2,4,5] на электрических станциях и в электроэнергетических системах. Зависимость р грунта от его плотности [1] получена совместно с Н.М.Зайцевой и Д.С. Зайцевым.

Подписано в печать 27.10.2011 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 290

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» 644122, г. Омск, ул. Красный Путь, 30 тел. (3812) 24-70-79, 8-904-585-98-84

E-mail: pc_kan@mail.ru Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97

Нормативные ссылки.

Обозначения и сокращения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ И В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

1.1 Виды заземлений и расчет их сопротивлений.

1.2 Методы определения удельного сопротивления грунта.

1.3 Определение удельного сопротивления грунта с использованием нечеткой логики.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ И ПЛОТНОСТИ ГРУНТА ДЛЯ

РАСЧЕТОВ ЕГО УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ.

2.1 Зависимость влажности грунта от климатических условий.

2.2 Определение влажности грунта на глубинах от 1м до 15м.

2.3 Зависимость удельного сопротивления грунта от его плотности.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГРУНТА.

3.1 Существующие методы определения температуры грунта.

3.2 Зависимость температуры грунта от его глубины и времени.

3.3 Определение теплофизических характеристик грунта для расчета его температуры.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ, УЧИТЫВАЮЩЕЙ ПРЕДЛОЖЕННЫЕ МЕТОДЫ.

4.1 Реализация алгоритма определения удельного электрического сопротивления грунта.

4.2 Программа для определения сопротивлений заземлителей в однородном и двухслойном грунтах.

4.3 Программа для определения сопротивлений заземлителей в многослойном грунте.

4.4 Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения 96 разработанной программы

4.4 Выводы.

2 -t\) - разность температур в среднем для всего слоя за определенный отрезок времени; тгр - масса, кг;

Q - теплота, поглощаемая грунтом;

Q2 - теплота, выделяемая водой в калориметре;

Q3 - теплота, воспринимаемая капсулой (грунтом); с - теплоемкость калориметра, кал/см -град; т2 - масса воды в калориметре, кг;

Упі - скорость теплопотерь калориметра, кал/сек; тза - масса капсулы, кг; с - теплоемкость капсулы, кал/см3-град; а л св(гр) ~ теплоемкость воды (грунта), кал/см -град; т3в(гр) - масса воды (грунта) в капсуле, кг; t22,^21 и ~ температуры (°С) в калориметре и в капсуле в разные f 5 f J моменты времени

At2 и А/3 - разность температур в калориметре и в капсуле;

S - площадь поверхности грунта в капсуле, см2; -Рц) - радиус капсулы, см; сп,сс, сгч - теплоемкость для песка, супеси и глины, кал/см3-град; рх - удельное сопротивление первого слоя грунта, Ом-м; h1 - глубина первого слоя грунта, м; k2.i - коэффициент, учитывающий многослойность грунта; lw,lp - длины горизонтальных элементов; аа, Ьа, аа , - коэффициенты для расчета awp; PcciA^ ^20 >

Ц-т-D^, Ец-т-Е^

- нумерация от 1 до 15; oi»/02' " ФУНКЦИИ удельной проводимости; ор и fow

1в - длина вертикальных электродов, м; авэ - расстояние между осями вертикальных элементов; И rWp, Ron - опорные значения; hw0 и hpo - расстояния, на которые поделены электроды; nWQ и пр0 - числа натурального ряда; n 1 - нумерация от 1 до .;

I т - длина участков вертикальных электродов, м; а(0) - взаимное сопротивление электродов, Ом; пш и пр0 - количество равных интервалов, на которые поделены электроды; f - функция неоднородности линейной плотности тока ft -го участка вертикального электрода; hn - длина интервала fi -го участка, м; л'вй(р-1) " взаимное сопротивление (функция lF) между точкой с номером NN и (р-1)-й границей интервала участка с номером h, рассчитываемое по методу оптической аналогии;

Тр - трудоемкость работ организации до и после внедрения программы;

3п1 - затраты на заработную плату работников до внедрения, руб;

Зп2 - затраты на заработную плату работников после внедрения, руб;

Сел - срок службы прибора, лет;

Ст - стоимость прибора, руб;

Пп - поверка прибора, руб;

Стпр - стоимость эксплуатации прибора, руб;

Сбв - полная себестоимость базового варианта, руб;

Свп - полная себестоимость с внедрением разработанной программы, руб;

Ээ - ожидаемый экономический эффект.

В диссертации использованы традиционные для литературы по

У Л электроснабжению единицы измерения: А, В, Ом, Ом-м, м, мм , С, %.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Работа электростанций и электроэнергетических систем немыслима без заземляющих устройств (ЗУ). Важнейшей характеристикой ЗУ является их электрическое сопротивление, которое пропорционально удельному электрическому сопротивлению р грунта, а р меняется в широких пределах в зависимости от температуры /, влажности V и вида грунта. Большой вклад в определение р внесли Карякин Р.Н., Солнцев В.И., Долин П.А., Саркисова Л.А. и др. Известные формулы и сезонные коэффициенты, рекомендуемые ПУЭ, по которым можно рассчитать р, дают лишь приблизительную картину его изменения от выше перечисленных параметров, что влечет за собой усложнение конструкции устройства заземления и увеличение количества металла для его изготовления. Анализ широко известных программ для определения параметров заземлителей, например «ОРУ-Проект» (НПФ ЭЛНАП, Москва, 2008г.), «гагетИЫ 1.0» (используется в Энергопроект-Севере и ОАО НМУ-2 "Сибэлектромонтаж") показывает, что р в них или измеряют и потом вводят поправочные коэффициенты, учитывающие климатическую зону и влажность на момент измерения, или выбирают среднее его значение, пренебрегая зависимостью от £ и V. Это приводит к погрешностям расчета до 60%. Предложенная в последнее время Павлодарским государственным университетом им. С. Торайгырова методика1, разработанная на основе использования нечеткой логики, позволяет более точно определять р грунта в зависимости от его температуры t и влажности V. Но она требует большого количества трудоемких измерений ? и V грунта и не учитывает влияние его плотности.

В связи с вышеизложенным, возникает необходимость, не делая трудоемких измерений, определять в любое время года значения / и V грунта на глубине ЗУ и зависимость р грунта от его плотности, а также разработать

1 Зайцева Н. М., Зайцев Д.С., Клецель М.Я. Зависимости удельного электрического сопротивления грунта от влажности и температуры //Электричество.- 2008. - №9. - С. 30-34. алгоритм расчета р с учетом изменений вышеперечисленных параметров и программу для определения сопротивлений заземлителей.

Таким образом, тема диссертации, посвященная решению этих задач, является актуальной.

Объектами исследования являются удельное электрическое сопротивления р грунта и сопротивление заземлителей.

Предмет исследования: разработка методов, позволяющих без трудоемких измерений определять температуру, влажность и плотность грунта для расчетов р на электрических станциях и в электроэнергетических системах.

В данной работе не рассматривается зона вечной мерзлоты в связи с тем, что грунты в этих районах имеют большие особенности.

Цель работы - разработка методов, совершенствующих определение сопротивлений заземлителей.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ существующих методов расчета р и сопротивлений ЗУ для выявления их недостатков;

- разработка методов расчета влажности грунта (на глубинах до 15м) и его температуры (по данным метеоцентров и на основе теплофизических характеристик грунта, полученных в лабораторных условиях) в средних широтах, не требующих трудоемких измерений;

- уточнение зависимости р грунта от его плотности;

- разработка алгоритма вычисления р грунта на основе вышеуказанных методов и программы для определения сопротивления ЗУ в однородном, двухслойном и многослойном грунтах на электрических станциях и в электроэнергетических системах.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, численные методы, теория нечеткой логики. Проводились компьютерное и физическое моделирования. Программа выполнена в среде программирования Turbo Delphi.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются незначительным отличием экспериментальных данных от результатов расчетов, проведенных по разработанным методам. Эти результаты свидетельствуют о правильности принятых допущений и использования нечеткой логики для решения поставленных задач.

Научная новизна:

- разработаны методы определения зависимостей влажности грунта на глубине до 1м от климатических условий и на глубинах от 1м до 15м от уровня грунтовых вод. В отличие от известных, они основаны на использовании нечеткой логики;

- получена новая зависимость температуры грунта от его глубины и времени года, основанная на использовании теории теплопроводности Фурье и данных метеостанций, но без применения коэффициента температуропроводности;

- получены зависимости темплоемкости и температуропроводности грунта от влажности, на основе которых по известным формулам рассчитывается температура грунта. При разработке зависимостей впервые использована нечеткая логика;

- уточнены формула для расчета сопротивлений заземлителей и зависимости удельного сопротивления песка, супеси и суглинка от их плотности.

Практическая ценность работы:

- один из разработанных методов позволяет определять влажность грунта по данным метеостанций на глубине до 1м с погрешностью, не превышающей 50%, другой - по данным геологоразведочных центров на глубинах от 1 до 15м с погрешностью до 20% для сухих грунтов и 10% для влажных.

- третий и четвертый дают возможность находить температуру грунта на глубинах до 15м в средних и до 10м в южных широтах с погрешностью 415% и на глубине до 1м с погрешностью до 10%.

- полученные зависимости р супеси, песка и суглинка от их плотности уточняют расчетную величину р на 3-9%;

- алгоритм и программа, разработанные на основе использования предложенных методов, дают возможность определять р грунта и сопротивление ЗУ на электрических станциях и в электроэнергетических системах с погрешностью до 30% без трудоемких измерений температуры и влажности на глубине заземлителей.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методы определения влажности грунта на базе нечеткой логики в зависимости от климатических условий и уровня грунтовых вод;

- зависимость температуры грунта от времени года и глубины до 15м в средних широтах и до 10м в южных по данным метеостанций;

- метод определения теплофизических характеристик грунта для расчета его температуры;

- зависимость удельного сопротивления грунта от его плотности;

- алгоритм расчета р грунта с использованием вышеуказанных методов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в Павлодарском государственном университете им. С.Торайгырова в учебном процессе на кафедре «Автоматизация и управление». В ближайшее время предполагается использовать разработанную программу на электростанциях Экибастузского энергетического комплекса и на Ермаковской ГРЭС, а также в Павлодарском ТОО «ДорРемСтрой ПВ», где экономический эффект от внедрения составит около 309500 руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции с международным участием «Интеграция науки и промышленности - решающий фактор в развитии экономики Республики Казахстан» (Казахстан, г.Павлодар, 2005г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!» (г. Омск, 2008г.), на XII и XIII Международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» (Украина, г.Алушта, 2008г. и 2010г.), заседаниях научных семинаров кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (Казахстан, г.Павлодар, 2011г.), кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (г.Омск, 2011г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи из перечня ВАК РФ и 6 статей в научных изданиях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.

Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач и методология их решения разработаны автором самостоятельно.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 109 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 3 таблицы, список использованных источников из 97 наименований и 6 приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена научно-техническая задача разработки методов, дающих возможность без трудоемких измерений определять температуру, влажность и плотность грунта для расчета его удельного электрического сопротивления р и сопротивлений заземлителей на электростанциях и в электроэнергетических системах. Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации.

1 Разработаны методы, позволяющие определять влажность грунта. Первый для глубин до 1м в зависимости от климатических условий с погрешностью не выше 50%, а второй - от 1м до 15м - от уровня грунтовых вод с погрешностью не выше 20% для сухих и 10% для влажных грунтов. В отличии от известных они основаны на использовании нечеткой логики.

2 Найдена зависимость температуры грунта от его глубины и времени года на основе данных метеостанций (погрешность расчета до 15%), но без использования коэффициента температуропроводности.

3 Разработан метод определения теплофизических характеристик грунта глубиной до 1м, позволяющий рассчитать его температуру по известным формулам с погрешностью до 10%. При его разработке впервые использована нечеткая логика.

4 Уточнена зависимость р грунта от плотности.

5 На основе созданных методов разработаны алгоритмы и программа, дающие возможность определять р грунта и сопротивления заземляющих устройств с погрешностью до 30% без трудоемких измерений температуры и влажности на глубине заземлителей.

6 Предполагается внедрение разработанной программы на электростанциях Экибастуза (ГРЭС-1 и ГРЭС-2), Павлодара, Ермаковской ГРЭС и на других предприятиях, например в ТОО «ДорРемСтрой ПВ». Внедрение этой программы позволит за счет освобождения персонала от трудоемких измерений удельного сопротивления грунта получить, например, в упомянутом ТОО годовой экономический эффект 309500 руб.

7 Рекомендуется применять следующие результаты работы: а) для глубин грунта до 1м - методы определения влажности и температуры грунта. б) для глубин от 1м до 15м — зависимости влажности от уровня грунтовых вод и зависимость температуры от глубины грунта и времени года; в) зависимость р грунта от его плотности; г) программу для расчета удельного электрического сопротивления грунта и сопротивлений заземлителей.

1. Правила устройства электроустановок-М.:Энергоатомиздат, 1987.-648с.

2. Федоров А.А. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 264 с.

3. Алиев И.И. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. -Ростов н/Д.: Феникс, 2004. 480 с.

4. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. М: НГТУ, МЭИ ТУ, НПФ ЭЛНАП и АО "Фирма ОРГРЭС", 2000.-54с.

5. Гомберг А.Е. Измеритель заземления. М.: Госэнергоиздат, 1961. -40с.:ил. - (Б-ка электромантера. Вып.60)

6. Бухаров А.И., Петунин В.В. Основы безопасной эксплуатации электроустановок. М.: Военное издательство, 1989.- 272 с.

7. Электротехнический справочник: В Зт. Т.1 Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под ред. В.Г. Герасимова и др. М.: Энергоатомиздат, 1985.-488 е.: ил.

8. Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. М.: Энергоатомиздат. 1986. - 128с.

9. Карякин Р.Н., Солнцев В.И. Заземляющие устройства промышленных электроустаовок: Справочник электромонтажника/Под ред. Смирнова А.Д. и др. -М.: Энергоатомиздат, 1989. 191с.:ил.

10. Ю.Целебровский Ю.Б., Микитинский М.Ш. Измерение сопротивлений зазмления опор ВЛ. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 48с.:ил. - (Б-ка электромонтера; Вып. 609).

11. П.Дулицкий Г.А., Комаревцев А.П. Электробезопастность при эксплуатации элктроустановок напряжением до 1000В: Справочник. М.: Воениздат, 1988. - 128с.: ил.

12. Карякин Р.Н. Заземляющие устройства электроустановок. Справочник.1. M.: Энергосервис. 2002.

13. Карякин Р.Н. Нормы устройства сетей заземлений. M.: Энергосервис, 2002. - 234с.:ил.

14. Сибикин Ю.Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учеб.для проф.учеб.заведений./Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин, В.А. Яшков -М.: Высш. шк., 2001. 336с.:ил.

15. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат. 1986. - 640 с.

16. Усова C.B. Электрическая часть электростанций. Учебник для вузов. JI: Энергия, 1977. - 556с.

17. Найфельд М.Р. Заземления и защитные меры безопасности. М.: Энергия, 1965.-228с.

18. Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок. М.: Энергия, 1981.-160с.

19. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1984. 448 е., ил

20. Бургсдорф В.В., Якобе А.И. Заземляющие устройства электроустановок. -М.: Энергоатомиздат, 1987. -400с.: ил.

21. Сайт info@promspravka.ru Новости электротехники 1(19) 2003

22. Коструба С.И. Измерение электрических параметров земли и заземляющих устройств.-М.: Энергоатомиздат, 1983.

23. Найфельд М.Р. Защитные заземления в электротехнических установках. М., Госэнергоиздат, 1956.

24. Güemes J.A. Hernando F.E. Method for calculating the ground resistance of grounding grids using FEM // IEEE Transactions on Power Delivery. 2004. - Vol. 19,№2.-P. 595-600.

25. Рябкова Е.Я. Заземления в установках высокого напряжения. М.: Энергия, 1978г.-224с. :ил.

26. Михайлов М.И., Соколов С.А. Заземляющие устройства в установках электросвязи: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1971. - 200с.: ил.

27. Кораблев В.П. Устройства электробезопасности. М.: Энергия, 1979. -72с. :ил. - (Б-ка электромантера. Вып.60)

28. Долин П. А. Справочник по технике безопасности. М.: Энергоатомиздат, 1984.- 824с.: ил.

29. Методические указания по определению электромагнитных обстановки и совместимости на электрических станциях и подстанциях. М: МЭИ ТУ и НПФ ЭЛНАП, 2004.-60с.

30. Бессонов Л.А.Теоретические основы электротехники. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. М.: Высшая школа, 1973.-752с.: ил.

31. Найфельд М.Р. Что такое защитное заземление и как его устраивать. -М.: Госэнергоиздат, 1959. 42с.:ил. - (Б-ка электромонтера; Вып. 2).

32. Крикун И.В. Испытания зеземляющих и зануляющих устройств электроустановок. -М.: Энергия, 1973. 81с.

33. Карякин Р.Н. Заземляющие устройства электроустановок. Справочник. -М.: Энергосервис. 2000.

34. Найфельд М.Р. Заземление и другие защитные меры. М.:Энергия, 1975. - 104с.:ил. - (Б-ка электромонтера; Вып. 416).

35. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации заземлений в установках проводной связи и радиотрансляционных узлов.- М.: СВЯЗЬ, 1971.-64с.

36. Безрук В.М. Геология и грунтоведение .- М.: «Недра», 1977. 256с.

37. Справочник по электробезопасности М.: Военное издательство. 1981,175с.

38. Ковды В. А., Розанова Б. Г. Почвоведение. Учеб. для ун-тов. М.: Высш. шк., 1988.-400 с: ил.

39. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. РАО «ЕЭС России». 1999г.

40. Попов А.А. Регрессионное моделирование на основе нечетких правил.// Сборник научных трудов НГТУ.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. №2(19)-С.49-57.

41. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М.: Мир, 1976.

42. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. М.:Мир, 1982.

43. Гуц А.К. Математическая логика и теория алгоритмов: Учебное пособие. Омск: издательство Наследие. Диалог-Сибирь, 2003г. -108с.

44. Яхъяева Г.Э. Нечетки множества и нейронные сети : Учебное пособие. -М.: БИНОМ, 2006. -316с.: ил.

45. Zadeh L.A. Fuzzy sets // Information and Control. 1965. Vol.8. P.338-353.

46. Круглов B.B., Дли М.И. Интеллектуальные информационные системы: компьютерная поддержка систем нечеткой логики и нечеткого вывода. М.: Физматлит, 2002.

47. Пивкин В. Я., Бакулин Е. П., Кореньков Д. И. Нечеткие множества в системах управления. Н.: НГУ, 2006. - 40с.

48. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логика и исскуственные нейронные сети. Учеб. пособие. М.: Издательство Физико-математической литературы, 2001. - 224 с.51.http://ru.wikipedia.org/wiki Нечеткая логика - математические основы

49. Клецель М.Я., Зайцева Н.М. О формулах расчета удельного электрического сопротивления грунтов. // Вестник ПТУ. Павлодар: Изд-во ПТУ, 2005г. №3-С43-51.

50. Зайцева Н.М. Модель удельного электрического сопротивления грунта // Журнал «Наука и техника Казахстана» . Павлодар: Изд-во ПТУ, 2004. - № 2. С.75-81.

51. Исабекова Б.Б. Моделирование удельного сопротивления грунта с помощью экспертной системы / Н.М. Зайцева, Б.Б. Жантлесова, А.Б. Жантлесова // «Вестник ПГУ», серия «молодые ученые». Павлодар 2005.- Том 2. - С. 39-47.

52. Зайцева Н.М.Методология построения модели электропроводности грунтов на основе нечеткой логики//«Сборник научных трудов ИнЕУ». Павлодар. ИнЕУ,2007г. №2, С45-53

53. Зайцева Н.М., Зайцев Д.С. Разработка системы нечетких правил для модели удельного сопротивления грунта// Журнал «Наука и техника Казахстана»2004. -№ 3. С.39-44

54. Вознесенский В.А. Статические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях / В.А. Вознесенский. М.: Финансы и статистика, 1981.- 263с.

55. Ферстер Э. Методы корреляционного и регрессионного анализа. Руководство для экономистов / Э. Ферстер, Б. Рёнц. Перевод с немецкого Ивановой В.М. М.: «Финансы и статистика», 1983. - 300с.: ил.

56. Тарасевич Ю.Ю. Численные методы. Астрахань.: Астраханский гос.пед.ун-т, 2000. - 70с.

57. Авербух М.А., Забусов В.В. Расчет параметров заземлителей на базе теории нечетких множеств и нечеткой логики // Электричество, 2009.-№7, с2-4.

58. Почва и почвообразование/Г. Д. Белицина, В. Д. Васильевская, Л. А. Гришина и др. — М.: Высш. шк., 1988. — 400 с: ил.

59. Горбылева А.И. Почвоведение с основами геологии: Учеб. пособие / А.И. Горбылева, Д.М. Андреева, В.Б. Воробьев. -Мн.: Новое знание, 2002. 480с.: ил.

60. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения: Учеб. для студентов. М.: Изд. Владос, 2001. - 384с.: ил.

61. Охрана труда в электроустановках: Учебник для вузов / Под.ред. Б.А. Князевского. -М.: Энергоатомиздат, 1983. -336с.:ил.

62. Васильев A.A., Крючков И.П., Наяшкова Е.Ф. и др. Электрическая часть станций и подстанций. М: Энергоатомиздат, 1990. 576 е.: ил.

63. Рогов В.А. Методика и практика технических экспериментов: Учеб. пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 288с.

64. Исабекова Б.Б. Определение влажности грунта на глубине заземлителей / Зайцева Н.М., Исабекова Б. Б. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2010. - № 2-С. 352-355.

65. Общая теория статистики: Статистическая методология в изучении коммерческой деятельности: Учебник / Под ред. О.Э. Башиной, A.A. Спирина. -М.: Финансы и статистика, 2005. 440с.: ил.

66. Муха В.Д., Картамышев Н.И. Агропочвоведение. М.: КолосС, 2003-528с.: ил.

67. Растворова О.Г. Физика почв (Практическое руководство). Л: Изд-во Ленингр ун-та, 1983. -196с.: ил.

68. Инновационный патент №20839 Республики Казахстан. Установка для определения электропроводности грунта // Зайцева Н.М., Зайцев Д.С. Опуб. 16.02.2009. Бюл.№2 -4с.: ил.

69. Исабекова Б.Б. Dependence of resistivity on density / N.M. Zaitseva, B.B. Isabekova, D.S. Zaitsev // 13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components ICEEE-2010. 2010. - C. 52-53

70. Исабекова Б.Б. Зависимость удельного сопротивления грунта от плотности / Н. М. Зайцева, Б.Б. Исабекова, Д.С. Зайцев // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009,- №5-6.- С. 138-141.

71. Руднев Г.В. Агрометеорология. JL: Гидрометеоиздат, 1964. - 277с.

72. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метрология и климатология: Учебник. -М.: Изд-во МГУ, 2001. 528с.:ил.

73. Шульгин А.М. Агрометорология и климатология. JI.: Гидрометеоиздат, 1978.-200с.

74. Лосев А.П., Журина Л.Л. Агрометеорология. -М.:КолосС,2004.-301с.: ил.

75. Исабекова Б.Б. Расчет удельного сопротивления грунта с учетом колебаний его температуры / Зайцева Н.М., Исабекова Б. Б., Клецель М.Я. // Научн. пробл. трансп, Сиб. и Дал. Вост. Спец. вып. 2010. - №1. - С. 215-230.

76. Кідрук М.І. Моделювання та оптимізація систем теплопостачання будівель з використанням відновних джерел енергії. Частина 1: Моделювання теплового режиму будинку. // (Україна) Журнал «Нова тема».2007г.,№4-с.13-16.

77. Исабекова Б.Б. Разработка температурно-влажностной модели однородного грунта / Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова // Вестник ИНЕУ. 2008. -№1. - С25-29.

78. Исабекова Б.Б. Определение температуры грунта на глубине заземлителей / М.Я. Клецель, Н. М. Зайцева, Б.Б. Исабекова // Электричество.2011.- №7.-С. 19-24.

79. Сапожникова С.А. Микроклимат и местный климат. Л.: ГИМИЗ, 1950.

80. Болыная советская энциклопедия. Til М: «Советская энциклопедия», 1973. - 607с.:ил.

81. Исабекова Б.Б. Моделирование электрических характеристик простых заземлителей в зависимости от климатических условий / Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова //Наука и техника Казахстана. 2008. - №3. - С. 30-31.

82. Исабекова Б.Б. Разработка программной реализации для определения сопротивления заземлителя / Н. М. Зайцева, Б.Б. Исабекова // Всероссийская научно-техническая конференция «Россия молодая: передовые технологии в промышленность!» - 2008. - С. 48-52

83. Орлов С. А. Технологии разработки программного обеспечения / С. А. Орлов. СП.: ПИТЕР, 2002. - 166 е.: ил.

84. Методические указания для расчета экономической части дипломного проекта: методическая разработка. Павлодар: ПГУ, 2003.- 21 с.

85. В.Т.Водянников В.Т. Теоретические основы экономической оценки информационных технологий и систем./ В/Г. Водянников // Агрожурнал МГАУ, В7." 2010.

86. Пределы электрического удельного сопротивления водосодержащих пород р

87. Геологический возраст пород Удельное сопротивление р, Ом*м

88. Морской песок, глинистый сланец Континента льные пески, песчаник Вулканичес кие породы (базальты, туфы) Граниты, габбро Известняки, доломиты, ангидриты, соль

89. Третичный, четвертичный 1-10 15-20 10-2*1О2 5*102-2*103 50-5*1О3

90. Мезозойский 5-20 25-102 20-5*103 5*102-2*103 102-104

91. Карбоновый 10-40 50-3*1О2 50-1О3 103-5*103 2*102-105

92. Докарбоновый палеозой 40-200 102-5*1О2 102-2*103 103-5*103 104-105

93. Докембрийский 102-2*103 3*102-5*103 2*102-5*103 5*103-20*Ю3 104-105

94. Значения пористости Ф, параметров а* и т* для водонасыщенных пород

95. Формации водонасыщенных пород ф а* т*

96. Песок (девон, мел, эоцен) 0,15- 0,367 0,62 2,15

97. Песчаник (юра) 0,14- -0,23 0,62 2,1

98. Чистый миоценовый песчаник 0,11- -0,26 0,78 1,92

99. Чистый меловой песчаник 0,08- -0,25 0,47 2,23

100. Чистый ордовикский песчаник 0,07- -0,15 1,3 1,71

101. Сланцевый песчаник (эоцен) 0,09- -0,22 1,8 1,64

102. Сланцевый песчаник (олигоцен) 0,07- -0,26 1,7 1,65

103. Сланцевый песчаник (мел) 0,07- -0,31 1,7 1,8

104. Оолитовый известняк (мел) 0,07- -0,19 2,3 1,64

105. Оолитовый известняк (юра) 0,09- -0,26 0,73 2,1

106. Кремнистый известняк (девон) 0,07-0,3 1,2 1,88

107. Известняк (мел) 0,08-0,3 2,2 1,65

108. Удельное электрическое сопротивление грунтов Таблица В.1 Удельное электрическое сопротивление грунтовых вод

109. Образец породы Сопротивление при 20°С, Ом *м

110. Пределы изменения Среднее значение

111. Изверженные породы 3-40 7,6

112. Современные и плейстоценовые континентальные осадки 1-27 3,9

113. Третичные осадки 0,7-3,5 1,4

114. Мезозойские осадочные породы 0,31-47 2,5

115. Палеозойские осадочные породы 0,29-7,1 0,93

116. Хлоридные воды нефтяных месторождений 0,049-0,95 0,16

117. Сульфатные воды нефтяных месторождений 0,43-5 1,2

118. Бикарбонатные воды нефтяных месторождений 0,24-10 0,98