автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Повышение долговечности подземных конструкций опор на оттяжках воздушных линий электропередачи

введение.

1. состояние подземных конструкций опор воздушных линий электропередачи на оттяжках. задачи исследования.

1.1. Коррозионное состояние U-образных болтов, анкерных петель и железобетонных конструкций.

1.1.1. Состояние U-образных болтов и анкерных петель.

1.1.2. Состояние железобетонных конструкций.

1.2. Причины коррозии подземных конструкций опор на оттяжках.

1.2.1. Причины коррозии конструкций оттяжек.

1.2.2. Процессы коррозии железобетонных электросетевых конструкций.

1.3. Оценка состояния узлов крепления оттяжек и железобетонных конструкций опор.

1.3.1. Методы косвенной оценки опасности коррозии анкерного крепления оттяжек опор.

1.3.2. Оценка коррозии U -образных болтов.

1.3.3. Методика определения состояния железобетонных электросетевых конструкций.

1.4. Анализ известных методов защиты от коррозии конструкций опор на оттяжках.

1.4.1. Общая характеристика методов защиты.

1.4.2. Катодная защита заземляющей системы опор на оттяжках.

1.4.3. Способы защиты железобетонных фундаментов опор.

2. исследование механизма коррозии подземных конструкций опор воздушных линий электропередач на оттяжках.

2.1. Метод расчета токов и потенциалов линейных коррозионных систем.

2.2. Расчет грунтовой коррозии и электрокоррозии протяженных заземляющих систем.

2.2.1. Расчет токов грунтовой коррозии системы «трос - опоры».

2.2.2. Расчет электрокоррозии системы «трос - опоры».

2.3. Экспериментальные исследования грунтовой коррозии протяженных заземляющих систем.

2.4. Экспериментальные исследования электрокоррозии протяженных заземляющих систем.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ ПОДЗЕМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОПОР НА ОТТЯЖКАХ.

3.1. Основные принципы защиты узла крепления оттяжек для проектируемых и эксплуатируемых опор.

3.1.1. Проектируемые опоры воздушных линий электропередачи на оттяжках.

3.1.2. Эксплуатируемые опоры воздушных линий электропередачи на оттяжках.

3.2. Метод гидрофобной обработки узлов крепления оттяжек опор.61 3.2.1. Технология гидрофобной обработки U-образных болтов.

3.3. Вынесение узла крепления оттяжек опор в надземную часть.

3.3.1. Практическое изменение условий работы оттяжек для крепления опор.

3.3.2. Выбор материалов и анализ характеристик полимерцементных бетонов для изготовления объёмных диафрагм.

3.3.3. Технология изготовления объемных диафрагм с использованием порошкообразных полимерных добавок.

3.4. Разработка методов активных защит U - образных болтов и анкерных петель в системе "ЗС-трос-опоры BJ1 на оттяжках".

3.4.1. Совместная катодная защита ЗС и системы "трос-опоры В Л на оттяжках".

3.4.2. Особенности электродренажной защиты системы "ЗС - тросопоры BJI на оттяжках".

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ОПОР НА ОТТЯЖКАХ.

4.1. Электромагнитный метод контроля состояния анкерных петель.

4.1.1. Метод измерения характеристик трансформаторов тока из U-образных болтов и анкерных петель.

4.1.2. Экспериментальная проверка метода в полевых условиях.

4.2. Токовихревой метод контроля состояния узлов крепления оттяжек.

4.2.1. Исследование экспериментальных образцов.

4.3. Оценка опасности грунтовой коррозии U-образных болтов с помощью метода "пробного точечного электрода".

4.4. Рекомендации по использованию методов контроля состояния узлов крепления оттяжек.

4.5. Электрохимический метод контроля состояния железобетонных конструкций опор.

4.5.1. Проверка метода в полевых условиях.

Опоры линий электропередач высокого напряжения являются нерезервируемыми и, следовательно, наиболее ответственными элементами энергосистем. По способу закрепления ствола на фундаментах опоры подразделяются на свободостоящие и опоры на оттяжках. На линиях напряжением 500 кВ и выше промежуточные опоры на оттяжках дают значительно более экономичные решения, чем свободно стоящие опоры, и поэтому являются основным массовым типом опор, применяемым на линиях этих классов напряжений [1].

Опыт эксплуатации опор BJI 220-500 кВ на оттяжках показал, что срок их службы составляет 15-30 лет. В последнее время имели место случаи падения опор на оттяжках в Омскэнерго (BJI 500 кВ "Ермак-Омск", срок службы 17 лет); Экибастузэнерго (BJ1500 кВ "Ермак-Экибастуз-Цели-ноград", срок службы 20 лет); Ставропольэнерго (BJT 330 кВ "Невиномысская ГРЭС-Пятигорск", срок службы 30 лет); Туркменэнерго (BJI220 кВ "Красноводск-Небитдаг", срок службы 14 лет); Южказэнерго (BJI220 кВ "Кентау-Чемкент", срок службы 28 лет.

Аналогичные случаи падения опор на оттяжках отмечены США [2] и Финляндии [3].

В тоже время необходимо подчеркнуть, что массовые обследования опор BJT на оттяжках, выполненные Северо-Западным отделением института "Энергосетьпроект", СибНИИЭ, ОРГРЭС, отметили как случаи сильной, так и слабой коррозии указанных конструкций.

В связи с этим, очевидно, что для осуществления мероприятий, направленных на поддержание работоспособности анкерных устройств опор BJI, необходима информация о состоянии этих узлов.

В свою очередь узел крепления оттяжек опор к анкерной плите, находящийся на глубине 2,5 - 3,0 м недостижим для осмотра без вскрытия. В результате создается ситуация, когда ответственная часть опор BJI находится в неизвестном коррозионном состоянии. В таких условиях эффективность коррозионных обследований становится, по сути, одним из главных факторов, определяющих безаварийность работы опор BJ1.

До последнего времени наиболее достоверным способом оценки состояния U-образных болтов и анкерных петель являлась их откопка. Метод, естественно, дорогой и, следовательно, необходима разработка эффективного метода диагностики их состояния.

Учитывая тот факт, что огромное количество опор BJI на оттяжках находится в эксплуатации в различных коррозионных условиях, необходимо разработать недорогие, селективные методы защиты указанных узлов.

Необходима также разработка методов защиты от коррозии проектируемых опор BJI на оттяжках.

Управлять сроком службы конструкций узлов крепления оттяжек опор BJ1 можно только в том случае, если известен механизм их коррозии. При исследовании механизма коррозии необходимо выделить два варианта:

1. Отдельно стоящие опоры на оттяжках.

2. Опоры BJI на оттяжках в системе "трос - опоры".

В первом случае подземные конструкции опор BJ1 изолированы от грозозащитного троса и представляют локальную, сосредоточенную заземляющую систему (ЗС). По этому варианту выполнен ряд работ [5; 6] и даны конкретные рекомендации по повышению долговечности указанных конструкций.

Обеспечению долговечности протяженных систем "ЗС - трос-опоры BJ1 на оттяжках" не уделено требуемого внимания и нет конкретных рекомендаций по их защите от коррозии.

Опоры BJI, в том числе, и на оттяжках, на подходах к станциям и подстанциям на расстояниях 3-5 км имеют электрическую связь с грозозащитным тросом и заземляющей системой (ЗС) станцией и подстанцией.

Система "ЗС-трос-опоры BJI на оттяжках" существенно отличается по коррозионным условиям от ЗС отдельно стоящей опоры.

По данным специалистов Финляндии [3] в таких системах вблизи электростанций имеются предпосылки появления больших коррозионных токов. Это обусловлено использованием медных конструкций искусственных заземлителей.

Для условий РФ и конструкций искусственных заземлителей, выполняемых из стали, наибольшую опасность для таких систем представляет воздействие блуждающих постоянных токов электрофицированных ж.д., трамвая, карьерного транспорта.

В связи с этим, требуется оценка опасности коррозии узлов крепления оттяжек в системе "ЗС - трос-опоры BJ1 на оттяжках" для грунтовой коррозии и электрокоррозии и разработка методов их защиты.

Таким образом, проблема повышения срока службы подземных конструкций опор BJ1 на оттяжках является актуальной для агрессивных грунтово-климатических условий.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование механизма коррозии подземных конструкций опор BJ1 на оттяжках, разработка методов повышения долговечности этих конструкций и методов оценки их коррозионного состояния.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- исследовать механизм грунтовой коррозии и электрокоррозии подземных конструкций системы "заземляющие устройства подстанций - грозозащитный трос - опоры BJ1 на оттяжках";

- разработать методы активной и пассивной защит от коррозии подземных конструкций опор воздушных линий электропередачи на оттяжках;

- разработать методы оценки коррозионного состояния U-образных болтов и анкерных петель;

- разработать метод контроля состояния железобетонных конструкций опор.

Методы исследований. Поставленные в работе цели достигаются на основе теоретических исследований, экспериментальных испытаний на действующих подстанциях и воздушных линиях электропередачи. Методической основой теоретических исследований служит теория многоэлектродных электрохимических систем, физическое и математическое моделирование коррозионных процессов, аппарат вычислительной математики и математической статистики.

Научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:

- исследован механизм грунтовой коррозии и электрокоррозии протяженных заземляющих систем "заземляющие устройства подстанций - грозозащитный трос - подземные конструкции опор BJ1 на оттяжках", позволяющий выявить наиболее опасные в коррозионном отношении части конструкций и обосновано разрабатывать методы защиты их от коррозии;

- обоснован метод защиты от грунтовой коррозии U - образных болтов и анкерных петель с- помощью гидрофобной обработки их диэлектриком (керосином, отработанным трансформаторным маслом и т.п.), предложена технология его реализации и даны рекомендаци по устранению загрязнения окружающей среды (грунта);

- для опор BJI на оттяжках, проектируемых в агрессивных грунтово-климатических условиях, преложено выносить узел крепления оттяжек в надземную часть на железобетонные сваи, защищенные от коррозии с помощью "объемных диафрагм";

- для защиты от электрокоррозии предложен метод совместной ("встречной") катодной защиты системы "заземляющие устройства подстанций - грозозащитный трос - опоры BJ1 на оттяжках", в котором использован метод наложения электрических полей анодов и катодов и не сооружается анодное заземление катодной станции системы "трос-опоры";

- для контроля состояния анкерных петель разработан электромагнитный метод на промышленной частоте, в котором U -образные болты выполняют роль обмоток трансформаторов тока, а снижения сечения анкерной петли (магнитопровода) фиксируется по изменению коэффициента трансформации;

- разработан метод оценки опасности грунтовой коррозии U - образных болтов с помощью метода "пробного точечного электрода" по величине "катодной" и "анодной" поверхностей и величине коррозионных токов;

- предложен электрохимический метод контроля состояния железобетонных конструкций опор BJI, основанный на измерении электрохимического потенциала арматуры при ее деполяризации после отключения внешнего источника постоянного тока положительной или отрицательной полярности.

Достоверность результатов подтверждена практической реализацией разработанных методов защиты подземных конструкций опор BJI на оттяжках и экспериментальной проверкой методов оценки их коррозионного состояния.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработанные методы пассивной и активной защит от коррозии подземных конструкций опор BJI на оттяжках могут быть использованы в проектной и эксплуатационной практике. и

Рекомендации по вынесению узла крепления оттяжек в надземную часть и защите свай от коррозии с помощью объемных диафрагм реализованы в проекте BJI 500 кВ "Барабинск-Таврическая" (Западные электросети АК Омскэнерго".

Исследование коррозии и разработка противокоррозионных мероприятий осуществлены для металлических конструкций опор BJT 500 кВ «Ермак-Экибастуз-Целиноград».

Методы контроля коррозионного состояния железобетонных фундаментов реализован на BJI в Туркменистане и на опорах контактной сети на Западно-Сибирской ж.д.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены:

- На седьмой Всероссийской научно - технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность", (г. Томск, Томский политехнический университет, 2001 г).

- На Юбилейной научно-технической конференции Новосибирской государственной академии водного транспорта, (Новосибирск, НГАВТ, 2001 г.).

На научных совещаниях Сибирского НИИ энергетики, в сибирском проектно-изыскательском и научно-исследовательском институте энергетических систем и электрических сетей с 1980 по 2001 г., а также на республиканских конференциях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и 4-х приложений. Общий объем 150 е., в том числе: 38 - рис., 18 - табл., 48 - источника.

Заключение

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Исследован механизм грунтовой коррозии и электрокоррозии протяженных заземляющих систем "заземляющие устройства подстанций -грозозащитный трос - подземные конструкции опор BJI на оттяжках".

Расчёт и экспериментальные исследования грунтовой коррозии указанных систем показали, что в ней наблюдаются перетекания коррозионных токов как между соседними опорами, так и группами опор. Токи стекающие с арматуры в бетон фундаментов не достигают опасных величин 0,6 мА/дм , а токи с U - образных болтов в ряде случаев в 1,5-2 раза превышают допустимую плотность тока 0,15 мА/дм2 (например, в нижней части болта).

При электрокоррозии величина стекающих и притекающих токов на один - два порядка больше, чем при грунтовой коррозии. Присоединение системы "трос - опоры" к ЗУ подстанций приводят к стеканию тока со всех подземных элементов опор (токи для U-образных болтов и анкерных петель достигают 440 мА и 540 мА, что при их локализации очень опасно).

2. Обоснован метод защиты от грунтовой коррозии U-образных болтов и анкерных петель с помощью обработки их текучей смесью из диэлектрика (керосина, отработанного трансформаторного масла и т.п.) и тонкодисперсного грунта, обеспечивающего капиллярное поднятие диэлектрика вдоль всей поверхности U-образного болта. Технология реализации метода позволяет устранить растекание диэлектрика и загрязнения окружающего грунта за счет образования вокруг оттяжки канала с крупнозернистым песком (размеры частиц 0,1 - 0,5 мм) и капиллярным передвижением в нём, например, масла 5-6 см.

3. Для проектируемых опор В Л на оттяжках в агрессивных условиях предложено выносить узел крепления оттяжек в надземную часть на 2-х или

4-х сваях и защищать сваи от коррозии с помощью «объёмных диафрагм» до глубины 0,5 м в грунте, для которых разработаны специальные составы на основе эпоксидных композиций и порошкообразных полимерных добавок типа П-ЭП-534 (от 5 до 35%).

4. Предложена совместная ("встречная") катодная защита заземляющих устройств подстанций и систем "грозозащитный трос-опоры BJI на оттяжках", в которой за счет суперпозиции электрических полей анодов и катодов не сооружается специальное анодное заземление для катодной станции системы "трос-опоры".

Рассмотрены особенности электродренажной защиты системы "ЗУ подстанции - трос - опоры BJ1 на оттяжках", обусловленные выносом опасных потенциалов по дренажному кабелю зону электрофицированной железной дороги.

5. Разработан электромагнитный метод контроля состояния анкерных петель на промышленной частоте, в котором U-образные болты выполняют роль обмоток трансформаторов тока, а оценка снижения диаметра анкерной петли (магнитопровода) осуществляется по изменению коэффициента трансформации с погрешностью 15-20%.

6. Предложен метод оценки опасности грунтовой коррозии U образных болтов с помощью метода "пробного точечного электрода" по величине коррозионной поверхности ("катодной" или "анодной") и величине коррозионных токов. Метод "пробного точечного электрода" может использоваться для существующих и проектируемых BJI на оттяжках.

7. Предложен электромеханический метод контроля состояния железобетонных фундаментов опор BJI, основанный на измерении электрохимического потенциала арматуры при её деполяризации после отключения внешнего источника постоянного тока положительной или отрицательной полярности.

Выделено 3 категории состояния железобетонной конструкции (несущая способность равна расчетной при поляризационном потенциале >0,85 В; при 0,4 - 0,85 В - снижение <25%; <0,4 - снижение >25%).

1. Проектирование линий электропередачи сверхвысокого напряжения /Г.Н. Александров, В.В. Ершевич, С.В. Крылов и др.; Под ред. Г.Н. Александрова и JT.JI. Петерсона. JL: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. - 368 с.

2. Расследование повреждения анкеров опор В Л 345 кВ (Трансмишен Дистрибьютер ноябрь 1989 г.)- 7с.

3. Пунка К., Талала П. Коррозия растяжных конструкций. Sanko.1988, 61, -С. 26-30.

4. Кихара Сигеру. О коррозии стальных оттяжек опорных конструкций. Дэнреку то тэцудо. Elec. Light and Facil Railnays. 1985, 35-№2 C. 25-27.

5. Тарасов А.Г. Коррозионное состояние анкерных устройств отяжек опор ВЛ 500 кВ западных электрических сетей Омскэнерго/ А.Г. Тарасов, А.В. Харитин, В.И. Халецкий, В.И. Гизбрехт //Энергетическое строительство, 1995 №6. С.56-59.

6. Корогод А.А. Оценка коррозии анкерных креплений оттяжек опор ВЛ 330 кВ/А.А. Корогод, М.С. Микитинский, С.И. Морозов //Энергетик, 1997, №11,- С.16-17.

7. Дикой В.П. Техническое состояние и надёжность BJI 500 кВ, построенных в 1954 1960 г.г./В.П. Дикой, В.М. Лавреньтьев, Р.Я. Федосенко //Энергетик, 1999, №2, - С.16-19.

8. Асеев Г.Е. Повышение долговечности электросетевых конструкций /Т.Е. Асеев, Ю.В. Дёмин, И.В. Клековкин. М.: Информэнерго, 1989. -48 с.

9. Москвин Б.М. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1980.-С. 1-100.

10. Минас А.И. Солевая форма коррозии: Автореф. дис. док. хим. наук. Алма-Ата, 1962.- 43с.

11. Кравченко Т.Г. Катодная защита железобетона/ Т.Г. Кравченко, М.П. Ромашкова// Бетон и железобетон, 1976, №3, С. 17-19.

12. Уткин В.К. Вопросы защиты магистральных трубопроводов от коррозии//Сб. науч. тр. Всесоюз. НИИ строит. Трубопроводов.-М.:1963.-Вып.17.-С.65-70.

13. Бернацкий А.Ф. Электрические свойства бетона/А.Ф. Бернацкий, Ю.В. Целебровский, В.А. Чунчин,- М:Энергия, 1980.-208с.

14. Канцельсон М.Ю. Полимерные материалы/ М.Ю. Канцельсон, Г.А. Балаев//Справочник.-Л.:Химия, 1982. -с.40-55.

15. Карпинос Д.М. Полимерные и композиционные материалы на их основе/ Д.М. Карпинос, В.И. Олейник.- Киев:Будивельник, 1981.-70с.

16. А.с.1350664 СССР, МКИ3 HOI В 3/18. Электроизоляционная композиция/ Р.В. Манчук, Г. А. Пугачёв, Н.А. Безверхова, Б.Н. Вершинин (СССР). Опубл. 08.04.87,Бюл. №16.-2с.

17. Герасимов В.Г. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий/В.Г. Герасимов, В.В. Клюев, B.C. шотерников. -М. :Энергоатомиздат, 1983 .-С. 1 -80.

18. Герасимов В.Г. Неразрушающий контроль качества изделий электротехническими методами /В.Г. Герасимов, Ю.Я. Останин, А.Д. Покрав-ский.- М.:Энергия, 1978.-С.1-120.

19. Домаркас В.И. Ультразвуковая эхоскопия/ В.И. Домаркас, Э.Л. Пилецкас. J1.Машиностроение, 1988.-С.1-55.

20. СтреттонД.А. Теория электромагнетизма.-М.-Л.: Гостехиздат, 1948.-С.1-150.

21. Рябкова Е.Я. Заземления в установках высокого напряжения. М.: Энергия, 1978.-С.38-40.

22. Москвин В.М. Коррозия и защита железобетонных конструкций.//Бетон и железобетон, 1976, №3.-С.2-3.

23. Анастасиев П.И. Защита линий электропередачи от коррозии и загрязненности атмосферы /П.И. Анастасиев, А.В. Коляда, Е.Г. Проэктор. М.:Энергоатомиздат, 1983.-С.88-94.

24. Гуков А.И. Диагностика опор контактной сети.//Электрическая и тепловозная тяга, 1980, №12.- С.34-35.

25. Гуков А.И., Чадин А.Б. Аппаратура диагностики опор. Вибрационный и электрохимический методы.//Электрическая и тепловозная тяга. 1981,№4.С.З 8-40.

26. Тарасов А.Г., Тен В.Г. Опыт эксплуатации системообразующих ВЛ 220500 кВ с опорами на оттяжках.//Энергетика и топливные ресурсы Казахстана, 1994, №4. С.25-30.

27. Петров Е.С. О повышении надёжности конструкций опор на оттяжках межсистемных BJI 500 кВ/Е.С. Петров, А.Г. Тарасов, А.В. Харитин,

28. B.И. Гизбрехт//Материалы докладов седьмой Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надёжность, безопасность".- Томск: Издат. ТПУ, 2001, Т.1.- С.82-85.

29. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. М.: изд.АН СССР, 1959,-бООс.

30. А.с. 1688721 СССР, МКИ5 с23 F 15/00. Способ защиты проводников, соединяющих заземлитель с электроустановкой от почвенной коррозии/ Ю.В. Дёмин, Р.Ю. Дёмина, Э.М. Фархад-Заде, Н.Д. Агаев (СССР). 0публ.08.04.91. Бюл. №16.-2с.

31. Баланчук B.JI. Порошковые полимерные покрытия для комплексной защиты арматуры и стальных металлоизделий от коррозии в бетоне. -Новосибирск, изд. СГУПС, 2001.-224с.

32. А.с. 1770839 СССР, МКИ4 G01N 17/2. Высокочастотный коррозиметр/Ю.В. Дёмин, М.Ш. Микитинский (СССР). Опубл. 23.10.92. Бюл. N39.-2с.

33. Корогод А.А. Оценка коррозии анкерных креплений оттяжек опор BJI330 кВ/ А.А. Корогод, М.С. Микитинский, С.И. Морозов//Энергетик, 19997, N 11.-С.16-17.

34. Акимов Г.В. Теория многоэлектродных электрохимических систем и приложение её к вопросам коррозии. Потенциалы бинарных систем / Г.В. Акимов, Н.Д. Томашов//Журнал физ.хим.-1936, N 8.-е. 19-22.

35. Кац E.JI. Заземляющие устройства электроустановок высокого и низкого напряжений/ E.JI. Кац, Б.Г. Меньшов, Ю.В. Целебровский. Сер. "Электрические станции и сети" (Итоги науки и техники).-М.1989, 15.-С.39-41.