автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Разработка метода и технических средств контроля состояния элементов заземляющих устройств

На правах рукописи

ЧИКАРОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.22.07 -Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Хабаровск - 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дынькин Борис Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Косарев Борис Иванович

доктор технических наук, профессор Власьевский Станислав Васильевич

Ведущее предприятие: ГОУ ВПО «Иркутский государственный

университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится "21" декабря 2005 года в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета К 218.003.01 ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» по адресу: 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, аудитория 230.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГУПС. Автореферат разослан"£1" ноября 2005 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим высылать в адрес диссертационного совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета о

доктор технических наук, профессор Э.Г. Бабенко

Мл

5^93

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Электрифицированные железные дороги составляют основную часть железных дорог России, выполняющих свыше 80 % грузоперевозок. Главной задачей системы железнодорожного транспорта является обеспечение стабильного перевозочного процесса, что напрямую зависит от надежной работы всех отдельных элементов этой системы. Заземляющее устройство, как один из ее элементов является важнейшим звеном в цепи, определяющей надежную работу оборудования и электробезопасность обслуживающего персонала тяговых подстанций переменного тока.

Обеспечение надежной работы электрооборудования и соблюдение правил электробезопасности персонала электроустановки осуществляется выполнением всех требований нормативной документации, предъявляемых к их заземляющим устройствам.

Параметры заземляющих устройств под воздействием большого количества скрытых от наблюдения факторов (состав грунта, влажность, наличие солей и кислот в грунте, электрокоррозия, разрушение отдельных элементов под воздействием пучинных явлений и др.) непрерывно изменяются, а визуальный контроль за техническим состоянием заземляющих устройств затруднен. В результате, с течением времени, возможно увеличение сопротивления растеканию заземляющих устройств, обрывы горизонтальных полос и заземляющих спусков, что, в случае возникновения аварийных режимов (короткие замыкания, удары молнии, коммутационные перенапряжения и др.), может привести к появлению высокого потенциала на электрооборудовании, пробою изоляции кабелей и повреждению устройств вторичной коммутации, термическим повреждениям и электротравмам персонала электроустановки.

Методы определения технического состояния заземляющего устройства,

рекомендованные действующей нормативно-технич

позволяют обеспечить надежный эксплуатационный контроль. Поэтому разработка и внедрение методов и аппаратуры определения технического состояния элементов заземляющего устройства, позволяющих своевременно устранять имеющиеся дефекты и обоснованно разрабатывать мероприятия, повышающие надежность работы заземляющего устройства, является эффективным способом продления его срока службы и предотвращения аварийных ситуаций и определяет целесообразность выполнения данной работы.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование процессов, протекающих в сетках сложных заземляющих устройств тяговых подстанций переменного тока в нормальных и при возникновении аварийных режимов, а также разработка методики оценки фактического состояния сложного заземляющего устройства с поверхности земли без вывода электроустановки из работы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ режимов работы и повреждений заземляющих устройств тяговых подстанций переменного тока в процессе их эксплуатации;

2. Исследование процессов, протекающих в сетке сложного заземляющего устройства и его отдельном элементе при нормальном и при возникновении аварийного режима работы электроустановки по результатам теоретических и экспериментальных исследований;

3. Разработка математической модели работы сложного заземляющего устройства и его отдельного элемента при их целостности и при наличии повреждений;

4. Определение характера изменения значений собственных сопротивлений элементов сетки заземляющего устройства в зависимости от величины и частоты протекающего по ним тока;

5. Разработка методики расчета токораспределения и распределения по-

тенциалов по элементам сетки сложного заземляющего устройства при его целостности и при повреждении горизонтальных элементов;

6. Разработка и внедрение метода и устройства, позволяющего производить мониторинг действительного состояния заземляющих устройств с поверхности земли без их откопки и без выведения электроустановки из работы.

Методика исследований. Поставленная в работе цель достигается путем комплексных аналитических и экспериментальных исследований. Для математического моделирования аварийных режимов использованы методы преобразования схем, теории направленных графов и матричной алгебры.

Оценка целесообразности предложенных мероприятий проводилась с использованием методов определения экономической эффективности инноваций.

Результаты аналитических исследований процессов в сетках сложных заземляющих устройств, использующих предлагаемую методику, согласуются с данными экспериментальных исследований, проведенных на тяговых подстанциях Дальневосточной и Забайкальской железных дорог.

Научная новизна решений, сформулированных автором, состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель работы сложного заземляющего устройства в целом и отдельных его горизонтальных элементов при их целостности и при наличии повреждений, позволяющая оценить условия электробезопасности персонала на территории электроустановки;

2. Разработана методика контроля целостности горизонтальных элементов сложных заземляющих устройств, отличающаяся совмещением принципа неравномерности распределения напряженности магнитного поля вдоль поврежденного проводника и принципа изменения направления протекания токов до и после места повреждения;

3. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены принципы контроля технического состояния горизонтальных элементов сложных заземляющих устройств, на основе которых разработано устройство для контроля целостности горизонтальных элементов заземляющих устройств без вывода электроустановки из работы.

Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями на действующих тяговых подстанциях Восточного региона России.

Практическая ценность.

1. Разработано и запатентовано устройство, позволяющее оценивать техническое состояние сложных заземляющих устройств с поверхности земли. Проведенные испытания подтвердили достоверность разработанных методов;

2. Внедрение результатов работы позволит увеличить срок эксплуатации заземляющих устройств, повысить достоверность результатов их технической диагностики, улучшить условия электробезопасности обслуживающего персонала электроустановки;

3. Оценка экономической эффективности показала, что применение разработанного устройства позволяет экономить до 1953 тыс.руб./ год.

Внедрение. Разработанное устройство для контроля целостности элементов заземляющих устройств прошло испытания на действующих тяговых подстанциях Восточного региона России и в 2003 г. передано на Красноярскую железную дорогу для опытной эксплуатации;

Новые разработки, представленные в диссертационной работе, регулярно включались в планы курсов повышения квалификации специалистов в области электроэнергетики Дальневосточной, Забайкальской и Красноярской железных дорог и учебные курсы по специальностям 1004 и 2104.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и были одобрены:

- на Третьей Международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке", Хабаровск, ДВГУПС, 15-17 апреля 2003г.;

- на V-ом краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов Хабаровского края, Хабаровск, 10 января 2003 г;

- на Научно - технических советах Департамента электроэнергетики ДВГУПС с участием представителей службы Э ДВЖД, Хабаровск, ДВГУПС, 2002 - 2003г.г.

Публикации. Основные материалы исследований опубликованы в 10 печатных работах, имеется патент и свидетельство на полезную модель.

На защиту выносятся

методика расчета токораспределения и распределения потенциалов по элементам сетки сложного заземляющего устройства при его целостности и при наличии повреждений горизонтальных элементов;

методика оценки фактического состояния отдельных элементов сетки сложного заземляющего устройства и всего заземляющего устройства в целом;

функциональная и принципиальная схемы устройства для контроля целостности элементов заземляющих устройств.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, содержит 137 страниц основного машинописного текста, 48 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 93 наименований на 9 страницах. Всего 142 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности решаемых проблем и определению общей методики исследований. Сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу состояния вопросов эксплуатации заземляющих устройств электроустановок и оценке методов контроля их технического состояния. Анализируются возможные методы решения поставленных в работе целей. Отмечено, что большой вклад в разработку и исследование рассматриваемых вопросов внесли отечественные ученые Б.И. Косарев, Ф. Олен-дорф, М.Р. Найфельд, Н.Ф. Марголин, Б.Г. Меньшов, С.И. Коструба, С.Г. Новиков, М.Д. Столяров, Н.Л. Гурвич, Ю.Г. Сибаров и др.

Во второй главе рассмотрены вопросы математического моделирования работы горизонтального элемента сетки заземляющего устройства, влияние величины и частоты протекающего по элементу сетки тока на значения его собственного сопротивления, разработана математическая модель работы сложного заземляющего устройства в целом при наличии и без повреждений его горизонтальных элементов.

Произведена численная оценка изменений собственных сопротивлений элементов сеток сложных заземляющих устройств в зависимости от величины и частоты протекающего по элементу тока (рис. 1). Оценка производилась по методике, предложенной Р.Л. Нейманом.

Рис 1 Горизонтальный элемент сложного заземляющего устройства

где: / - длина проводника, см; П - периметр проводника, см; /4 - магнитная проницаемость на поверхности проводника; у - электрическая проводимость стали, Ом"1.

Определено, что изменение сопротивления горизонтального проводника в зависимости от величины протекающего по нему тока имеет нелинейный характер.

Я Ом

1дт

Рис 2. Результаты расчета изменения активного сопротивления горизонтального элемента сстки ЗУ в зависимости от частоты и значения протекающе! о по нему тока

При этом значения собственного сопротивления элемента при протекании по нему токов в десятки и сотни ампер могут отличаться друг от друга более чем в два раза.

При использовании разрабатываемой аппаратуры контроля состояния элементов заземляющих устройств, рассчитанной на частоту 400 Гц, изменение сопротивлений элементов сетки заземляющих устройств относительно токов *

рабочей частоты составляет 244 %, т.е. собственное сопротивление на частоте 400 Гц практически в 2,4 раза больше, чем на 50 Гц. С дальнейшим ростом частотного диапазона протекающих токов значения сопротивлений также возрастают и на частоте 15 кГц сопротивления увеличиваются в 17 раз в сравнении с промышленной частотой (рис. 2).

Исследована картина распределения магнитного поля вблизи горизонтального проводника сетки заземляющего устройства (рис.3).

Рис 3. Схема для расчета магнитного поля вблизи проводника Выражение, описывающее изменение напряженности магнитного поля над горизонтальным элементом (з-н Био-Савара Лапласа), А/м, имеет вид

/ мпа

¿Я =-—

4 жг{

где /- ток в проводнике, А; - расстояние от точки в пространстве до проводника, м.

После интегрирования по длине проводника в относительных единицах (г. = г/1, х. = х/1, Л = 1Д)

# = -

4 л г*

(\-х*)2 +г*2 г*2+х*2- х* -I)2 ^г,2 + X,2

(4)

На основании изложенной методики при наличии повреждения (обрыва) горизонтального элемента схема для расчета магнитного поля примет вид

Рис. 4. Схема для расчета магнитного поля полосы с обрывом

После интегрирования по длине проводника выражение, описывающее характер изменения магнитного поля вблизи проводника примет вид, А/м

¡01 и

(1х-х)2+г2

гг +Х2 — лг • /[

^г2+(х-102 тр+х2

1Ж. ( (12-Х)2+г2 _ {11-Х).{12-х) + Г2Л 12 ^р+(*-/2)2 /г2+(х_/1)2

Рис 5. Изменение напряженности магнитного поля горизонтального элемента ЗУ при одинаковом направлении токов до и после обрыва

Рис 6 Изменение напряженности магнитного поля горизонтального элемента ЗУ при встречном направлении токов до и после обрыва

Анализ изменения полученных графических зависимостей указывает на неравномерный характер изменения напряженности магнитного поля после места повреждения. У горизонтального элемента без повреждения этот характер после точки повреждения плавноубывающий.

Для прогнозирования условий электробезопасности обслуживающего персонала и оценки характера токораспределения по целым и поврежденным горизонтальным элементам сетки разработана математическая модель работы заземляющего устройства в целом при возможном повреждении (обрыве) его горизонтальных элементов.

В качестве математического аппарата использованы положения теории направленных графов и матричной алгебры.

Схема фрагмента сетки заземляющего устройства изображена на рис. 7, схема направленного графа фрагмента сетки представлена на рис. 8.

Обобщенное уравнение, описывающее процессы токораспределения и распределения потенциала по элементам сетки заземляющего устройства

Л 17. п

Рис. 8 Схема направленного графа фрагмента сетки заземляющего устройства М ■ 1в = /;

(6)

мгв-1в=Ек,

где М- матрица соединений ветвей в узлах; Ы- матрица соединений ветвей в независимые контуры; /в- столбцовая матрица задающих токов ветвей; У -столбцовая матрица задающих токов в узлах (кроме балансирующего узла); Ёк- столбец контурных ЭДС, представляющих собой алгебраические суммы ЭДС ветвей, входящих в каждый независимый контур.

Компьютерная модель выделенного фрагмента сетки заземляющего устройства, выполненная с использованием пакета виртуального моделирования электронных схем МиШэт 2001, представлена на рис. 9.

Наличие повреждения горизонтального элемента сетки заземляющего устройства моделировалось путем введение в модель Г-образной схемы замещения поврежденного горизонтального элемента (рис. 10).

Рис 9 Схема компьютерной модели фрагмента сетки заземляющего устройства

КгорЛ Нгор.1

—СЗ I В— г О [

я,*' П П П я'т1

б)

Игор.1 Я обр.

-Ш1ТТ

Рис 10. Г-образная схема замещения целого (а) и поврежденного (б) горизонтального элемента сетки заземляющего устройства

В результате моделирования процессов в сетке заземляющего устройства определено, что характер изменения токов вдоль целого проводника отличен от характера вдоль поврежденного проводника. Направления протекания токов до и после места обрыва противоположны, тогда как у целого проводника направление протекания тока вдоль проводника не изменяется.

Полученные компьютерные модели работы сетки сложного заземляющего устройства при наличии и без повреждений горизонтальных элементов сетки позволяют оценить условия электробезопасности на территории электроустановки в различных режимах ее работы.

Кривая распределения потенциала по элементам сетки заземляющего устройства с целым (пунктирная кривая) и поврежденным (сплошная кривая) элементами изображена на рис. 11. Увеличение напряжения в узле крайней ячейки сетки (наиболее опасный режим элекгробезопасности) составляет более 10 %.

г

х

Рис. 11 Кривая распределения потенциала по сетке заземляющего устройства при повреждении горизонтального элемента (Л=90 Ом.)

Третья глава посвящена оценке результатов экспериментальных исследований. Исследования проводились в два этапа:

^предварительные исследования на экспериментальном контуре заземляющего устройства;

2) экспериментальные исследования на действующих тяговых подстанциях железнодорожного транспорта.

На стадии проведения предварительных экспериментальных исследований, а также в ходе проведения исследований на действующих тяговых подстанциях определен характер изменения величины наведенных потенциалов в датчике магнитного поля над горизонтальными элементами в зависимости от частоты контрольного сигнала и схемы подключения генератора (рис. 13, рис. 14).

Схема экспериментального контура заземляющего устройства приведена на рис. 12.

А.1

г

,1

-•-е-

• з

• 4 •5

П1

11

в

П2

•7

г

•8

• 9

ПЗ

Б 'и

8,7 М

Рис 12 Схема экспериментального контура заземляющего устройства

1 2 3 4 5 ГЬ6 7 8 9 10 11

Рис. 13. Кривые изменения потенциалов в катушке

б)

Рис 14. Результаты исследования направления токов в горизонтальном элементе экспериментального контура заземления

По результатам проведенных исследований можно заключить что:

- в качестве частоты контрольного сигнала необходимо использовать частоту, отличную от частоты рабочих токов и желательно четного диапазона, т.к. рабочие токи имеют нечетный гармонический спектр;

- характер изменения величины напряженности магнитного поля аналогичен полученному в результате теоретических исследований (величина напряженности магнитного поля убывает по мере удаления от места закладки горизонтального заземлителя в случае его целостности или имеет неравномерный характер изменения в случае наличия повреждения горизонтального элемента.);

- характер протекания токов вдоль целого и поврежденного проводника различен (в проводнике с повреждением направления протекания токов до и после места обрыва противоположные).

Полученные в ходе проведения экспериментальных исследований как на действующих подстанциях, так и на экспериментальном контуре заземления результаты подтверждают выводы, полученные в ходе теоретических исследований.

Четвертая глава посвящена разработке методики и устройства для контроля целостности элементов заземляющих устройств.

Сформулированы основные требования к разрабатываемой методике и устройству контроля.

На основании выявленных специфических признаков неравномерности распределения магнитного поля вдоль поврежденного проводника и наличия встречно протекающих токов до и после места обрыва разработано устройство для контроля технического состояния элементов заземляющих устройств (свид-во № 25604, патент № 45832). Структурная схема устройства приведена на рис. 15.

а)

ъ

6) 3

£

t

14 17 1

1 1 1

Д» I* I 1 Уа

Дз 1 \ Уз •э

1

10

1..

в

Рис 15. Схема подключения генератора контрольного сигнала и структурная схема устройства

Работа устройства основана на фиксации значений и направлений магнитного поля над горизонтальным элементом.

Изготовленные образцы устройства, прошли испытания на действующих подстанциях ДВЖД и переданы КрасЖД для опытной эксплуатации. Расчет экономической эффективности показал, что применение устройства экономически оправдано. Срок окупаемости в масштабах одной дороги составит 2,7 мес.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Исследовано влияние формы и частоты протекающего тока на изменение собственных сопротивлений элементов заземляющих устройств. Оценены пределы изменения сопротивлений элементов заземляющих устройств при использовании аппаратуры с рабочей частотой контрольного сигнала, отличной от промышленной: Разработана математическая модель работы горизонтального элемента сетки сложного заземляющего устройства при его целостности и наличии повреждения (обрыва);

2. Создана математическая модель работы заземляющего устройства в целом при наличии и отсутствии повреждений (обрывов) горизонтальных элементов, позволяющая прогнозировать условия электробезопасности обслуживающего персонала в различных режимах работы электроустановки.

3. Разработана математическая модель работы горизонтального элемента сетки сложного заземляющего устройства при его целостности и наличии повреждения (обрыва). Исследован характер изменения магнитного поля вдоль горизонтального элемента с утечкой;

4. Разработана методика проведения оценки фактического состояния элементов заземляющих устройств электроустановок без их откопки и вывода электроустановки из работы;

5. По выявленным специфическим признакам наличия повреждения горизонтального элемента сложного заземляющего устройства разработано устройство контроля технического состояния элементов заземляющих устройств, позволяющее определять не только местоположение целых и поврежденных горизонтальных элементов сетки, но и фиксировать локальную точку повреждения.

Основные положения диссертации опубликованы:

1. Дынькин Б.Е., Исянов С.Р., Чикаров Ю.А. Диагностика контуров заземления действующих электроустановок; Первая Российская конференция по заземляющим устройствам / Сб. докладов. Под ред. Ю.В. Целебровского: Сибирская энергетическая академия, 2002. - 256 е.;

2. Дынькин Б.Е., Исянов С.Р, Чикаров Ю.А. Математическая модель заземляющей полосы защитного устройства электроустановки; Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран A TP в XXI веке: Труды третьей международной конференции творческой молодежи, 15-17 апреля 2003 г.- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003. - Т. 1 - с. 221-225.;

3. Дынькин Б.Е., Чикаров Ю.А. Математический метод оценки условий электробезопасности на территории электроустановки. 62-я региональная научно-практическая конференция творческой молодежи: Труды конференции: в 5-х т.- Под ред. Ю.А. Давыдова, 7-8 апреля 2004 г. - Хабаровск,: Изд-во ДВГУПС, 2004.-Т. 1 - с. 126-129.;

4. Дынькин Б.Е., Чикаров Ю.А. Моделирование процессов в сетках сложных заземляющих систем. Вопросы энергетики и электромеханики: Труды региональной научно-практической конференции «Электроэнергетическое управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» / Под ред. В.И. Сечина. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2004. - 14 е.: ил.;

5. Дынькин Б.Е., Чикаров Ю.А. Оценка состояния элементов заземляющих устройств действующих электроустановок. Энергетика: Управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: Сборник трудов третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием в 2-х т., 14-16 мая 2003 г. - Благовещенск: изд-во Амурского государственного университета, 2003. - Т.2 - с. 189-194.;

6. Пат. № 45832 Устройство для диагностики состояния контура заземления / Дынькин Б.Е., Чикаров ЮЛ. (Россия). - № 2005100099; Заявлено 11.01.2005 г. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 27 мая 2005 г.;

7. Свид. № 25604 Устройство для контроля качества контура заземления / Дынькин Б.Е., Чикаров Ю.А., Исянов С.Р. (Россия). - № 2002109667; Заявлено 11.04.2002 г. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 10 октября 2002 г.

8 Чикаров Ю.А, Бахирева М.П. Математическая модель сложного заземляющего устройства; Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран: Труды четвертой международной конференции творческой молодежи, 12-14 апреля 2005г.- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. - Т.1 - с. 204-205.;

9. Чикаров Ю.А. Собственные характеристики элементов заземляющих устройств электроустановок; Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран: Труды четвертой международной конференции творческой молодежи, 12-14 апреля 2005г.- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. - Т.1 - с. 200-203.

ЧИКАРОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ИД №05247 от 2 07.2001 г. Сдано в набор 14.11.2004 г Подписано в печать 15.11.2005 г. Формат 60x84'/is. Бумага тип № 2. Гарнитура «Times New Roman» Печать RISO. Уел печ. л 1,4. Зак 285. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

ПК 9 9

РНБ Русский фонд

2007-4 2093

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕСТО И РОЛЬ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ. В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАБОТЫ СЛОЖНОГО ЗАЗЕМЛЯЮ- ' ЩЕГО УСТРОЙСТВА

2.1. Анализ изменения собственных параметров проводника сетки заземляющего устройства в зависимости от величины и частоты протекающего по нему тока.

2.2. Исследование характера распределения напряженности магнитного поля над горизонтальным элементом сетки сложного заземляющего устройства

2.31 Расчет токораспредел ения по элементам сетки сложного заземляющего устройства при его целостности и при наличии повреждений ; отдельных его элементов;

2.3.1. Математическое моделирование процессов в сетке сложного заземляющего устройства 42'

2.3.2. Компьютерное моделирование процессов в сетке сложного заземляющего устройства

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ; ПРОТЕКАЮЩИХ В КОНТУРЕ СЛОЖНОГО ЗУ

3.1 Влияние формы и частоты контрольных сигналов на процессы в заземляющем устройстве

3.2 Опытное определение реальной картины токораспредел ения; по элементам контура сложного заземляющего устройства при его целостности и при повреждении его горизонтальных элементов

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

4.1 Требования к разрабатываемой методике и устройству контроля состояния заземляющих устройств

4.2 Результаты разработки устройства контроля технического состояния заземляющих устройств

4.2.1 Разработка функциональной схемы устройства контроля состояния заземляющих устройств

4.2.2 Разработка опытного образца устройства контроля состояния заземляющих устройств

4.2.3 Устройство и работа отдельных функциональных блоков и модулей устройства

4.2.4 Результаты и порядок проведения испытаний устройства контроля технического состояния заземляющих устройств

4.3 Технико-экономическое обоснование применения устройства контроля технического состояния заземляющих устройств

Актуальность проблемы. Электрифицированные железные дороги составляют основную часть железных дорог России, выполняющих свыше 80 % грузоперевозок. Главной задачей системы железнодорожного транспорта является обеспечение стабильного перевозочного процесса, что напрямую зависит от надежной работы всех отдельных элементов этой системы. Заземляющее устройство, как один из ее элементов является важнейшим звеном в цепи, определяющей надежную работу оборудования и электробезопасность обслуживающего персонала тяговых подстанций переменного тока:

Обеспечение надежной работы электрооборудования и соблюдение правил электробезопасности персонала электроустановки осуществляется выполнением всех требований нормативной документации, предъявляемых к их заземляющим устройствам.

Параметры заземляющих устройств под воздействием большого количества скрытых от наблюдения факторов (состав грунта, влажность, наличие солей и кислот в грунте, электрокоррозия, разрушение отдельных элементов под воздействием пучинных явлений и др.) непрерывно изменяются, а визуальный контроль за техническим состоянием заземляющих устройств затруднен. В результате, с течением времени, возможно увеличение сопротивления растеканию заземляющих устройств, обрывы горизонтальных полос и заземляющих спусков, что, в случае возникновения аварийных режимов (короткие замыкания, удары молнии, коммутационные перенапряжения; и др.), может привести к появлению высокого потенциала на электрооборудовании, пробою изоляции кабелей и повреждению устройств вторичной коммутации, термическим повреждениям и электротравмам персонала электроустановки.

Методы определения технического состояния заземляющего устройства, рекомендованные действующей нормативно-технической документацией, не позволяют обеспечить надежный эксплуатационный контроль. Поэтому разработка и внедрение методов и аппаратуры определения технического состояния элементов заземляющего устройства, позволяющих своевременно устранять имеющиеся дефекты и обоснованно разрабатывать мероприятия, повышающие надежность работы заземляющего устройства, является эффективным способом продления его срока службы и предотвращения аварийных ситуаций и определяет целесообразность выполнения данной работы.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование процессов, протекающих в сетках сложных заземляющих устройств тяговых подстанций переменного тока в; нормальных ю при возникновении аварийных режимов, а также разработка методики оценки фактического состояния сложного заземляющего устройства с поверхности земли без вывода электроустановки из работы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ режимов работы и повреждений заземляющих устройств тяговых подстанций переменного тока в процессе их эксплуатации;

2. Исследование процессов, протекающих в сетке сложного заземляющего устройства и его отдельном элементе при нормальном и при возникновении аварийного режима работы электроустановки по результатам теоретических и экспериментальных исследований;

3. Разработка математической модели работы сложного заземляющего устройства и его отдельного элемента при их целостности и при наличии повреждений;

4. Определение характера изменения{значений «собственных» сопротивлений элементов сетки заземляющего устройства в зависимости от величины и частоты протекающего по ним тока;

5. Разработка методики расчета токораспределения и распределения потенциалов по элементам сетки сложного заземляющего устройства при его целостности и при повреждении горизонтальных элементов;

6. Разработка и внедрение метода и устройства (диагностического комплекса), позволяющего производить мониторинг действительного состояния заземляющих устройств с поверхности земли без их откопки и без выведения электроустановки из работы.

Методика исследований. Поставленная в работе цель достигается путем комплексных аналитических и экспериментальных исследований. Для математического моделирования аварийных режимов использованы методы преобразования схем, теории направленных графов и матричной алгебры.

Оценка целесообразности предложенных мероприятий проводилась с использованием методов определения экономической эффективности инноваций.

Результаты аналитических исследований процессов в сетках сложных заземляющих устройств, использующих предлагаемую методику, согласуются с данными экспериментальных исследований, проведенных на тяговых подстанциях Дальневосточной и Забайкальской железных дорог.

Научная новизна решений, сформулированных автором, состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель работы сложного заземляющего устройства в целом и отдельных его горизонтальных элементов при их целостности и при наличии повреждений, позволяющая оценить условия электробезопасности персонала на территории электроустановки;

2. Разработана методика контроля целостности горизонтальных элементов сложных заземляющих устройств, отличающаяся совмещением принципа неравномерности распределения напряженности магнитного поля вдоль поврежденного проводника и принципа изменения направления протекания токов до и после места повреждения;

3. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены принципы контроля технического состояния горизонтальных элементов сложных заземляющих устройств, на основе которых разработано устройство для контроля целостности горизонтальных элементов заземляющих устройств без вывода электроустановки из работы.

Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями на действующих тяговых подстанциях Восточного региона России.

Практическая ценность.

1. Разработано и запатентовано устройство, позволяющее оценивать техническое состояние сложных заземляющих устройств с поверхности,земли. Проведенные испытания подтвердили достоверность разработанных методов;.

2. Внедрение результатов работы позволит увеличить срок эксплуатации заземляющих устройств, повысить достоверность результатов их технической диагностики, улучшить условия электробезопасности обслуживающего персонала электроустановки;:

3. Оценка экономической эффективности показала, что применение разработанного устройства позволяет экономить до 1953 тыс.руб./ год.

Внедрение. Разработанное устройство для контроля целостности элементов заземляющих устройств: прошло испытания на действующих тяговых подстанциях Восточного региона России и в 2003 г. передано на Красноярскую железную дорогу для опытной эксплуатации;

Новые разработки; представленные в диссертационной работе,.регулярно включались в планы курсов повышения квалификации специалистов в области электроэнергетики Дальневосточной, Забайкальской и Красноярской железных дорог и учебные курсы по специальностям 1004 и 2104.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и были одобрены:

- на Третьей Международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке", Хабаровск, ДВГУПС, 15-17 апреля 2003г.;

- на V-ом краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов Хабаровского края, Хабаровск, 10 января 2003 г;

- на Научно - технических советах Департамента электроэнергетики ДВГУПС с участием представителей службы Э ДВЖД, Хабаровск, ДВГУПС, 2002 -2003 г.г.

Публикации. Основные материалы исследований опубликованы в 10 печатных работах, имеется патент и свидетельство на полезную модель.

На защиту выносятся

- методика расчета токораспре деления и распределения потенциалов по элементам сетки сложного заземляющего устройства при его целостности и при наличии повреждений горизонтальных элементов;

- методика оценки фактического состояния отдельных элементов сетки сложного заземляющего устройства и всего заземляющего устройства в целом;

- функциональная и принципиальная схемы устройства для контроля целостности элементов заземляющих устройств.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, содержит 135 страницы основного машинописного текста, 48 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 93 наименований на 9 страницах. Всего 140 страниц.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Исследовано влияние формы и частоты протекающего тока на изменение собственных сопротивлений элементов заземляющих устройств. Оценены пределы изменения сопротивлений элементов заземляющих устройств при использовании аппаратуры с рабочей частотой контрольного сигнала, отличной от промышленной;

2. Создана математическая модель работы заземляющего устройства в целом при наличии и отсутствии повреждений (обрывов) горизонтальных элементов, позволяющая прогнозировать условия электробезопасности обслуживающего персонала в различных режимах работы электроустановки;

3. Разработана математическая модель работы горизонтального элемента сетки сложного заземляющего устройства при его целостности и наличии повреждения (обрыва). Исследован характер изменения магнитного поля вдоль горизонтального элемента с утечкой;

4. Разработана методика проведения оценки фактического состояния элементов заземляющих устройств электроустановок без их откопки и вывода электроустановки из работы;

5. По выявленным специфическим признакам наличия повреждения горизонтального элемента сложного заземляющего устройства разработано устройство контроля технического состояния элементов заземляющих устройств, позволяющее определять не только местоположение целых и поврежденных горизонтальных элементов сетки, но и фиксировать локальную точку повреждения.

127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный автором комплекс исследований позволил решить ряд теоретических и практических задач, направленных на повышение надежности и эффективности работы заземляющих устройств электроустановок.

1. Агаханян, Т.М. Интегральные микросхемы / Т.М. Агаханян. - М.: Энер-гоатомиздат, 1983. - 464 с.

2. Альтшулер, Э.Б. Сооружение заземляющих устройств в районах многолетней мерзлоты. Машины и нефтяное оборудование. / Э.Б. Альтшулер --М., 1980, №7

3. Анализ производственно-хозяйственной деятельности хозяйства электроснабжения за 2004г. М.: ЦЭ МПС, 2005. - 107с.;

4. Анищенко, В.А. Надежность систем электроснабжения: Учеб. пособие / В.А. Анищенко. Мн.: УП "Технопринт", 2001. - 160 с.

5. Анненков В.З. Протяженные заземлители молниезащиты в грунтах с нелинейными вольт-амперными характеристиками // Электричество. -2001, №7

6. Анненков В.З. Расчет импульсного сопротивления протяженного зазем-лителя в песчаных грунтах // Электричество. 1998, №5

7. Анищенко, В.А. Надежность систем электроснабжения: Учеб. пособие / В.А. Анищенко. Мн.: УП "Технопринт", 2001. - 160 с.

8. Базуткин В.В, Борисов Р.К., Горшков A.B., Колечицкий Е.С. Оценка параметров заземлителей при воздействии импульсных токов // Электричество. 2002, №6

9. Бамбизов А.Г., Можаев Н.С. Приближенный расчет сопротивления растекания заземляющих устройств электроустановок // Электротехника.- 2000, №3

10. Бей, Ю.М. Тяговые подстанции / Ю.М. Бей, P.P. Мамошин, В.Н. Пупынин: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. М.: Транспорт, 1986. - 319 с.

11. Бессонов, JI.A. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи / JI.A. Бессонов, 10-е изд. -М.: Гардарики, 1999. 638 е.: ил.

12. Борисов Р.К., Балашов В.В., Жарков Ю.В., Горшков A.B., Колечицкий Е.С. Заземлители подстанций высокого напряжения: современные проблемы и способы их решения // Электричество. — 1996, №2

13. Борисов, Р.К. и др. Методы и средства контроля заземляющих устройств // Электро. 2000, №1

14. Борисов Р.К., Колечицкий Е.С., Горшков A.B., Балашов В.В, Методика и технические средства для диагностики состояния заземляющих устройств энергообъектов П Электричество. 1996, №1

15. Бургсдорф, В.В., Расчеты заземлений в неоднородных грунтах // Электричество. 1954, №1

16. Ведомственные нормы и расценки на строительство, монтаж и ремонтно-строительные работы. Сб. BP. Электрификация железных дорог. Вып. 2: Монтаж контактной сети. М.: Прейскурантиздат, 1987. - 71с.

17. Волков, Б.А. Экономическая эффективность инвестиций на железнодорожном транспорте в условиях рынка / Б.А. Волков М.: Транспорт, 1996.- 191 с.

18. Гусев, В.Г. Электроника, изд. 2-е, перераб. и доп. / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. -М.: Высшая школа, 1991

19. Гумеля, А.Н. Электрические характеристики кабельных и воздушных линий связи / А.Н. Гумеля, В.О. Шварцман. М.: Изд-во «Связь», 1966.

20. Дмитриев, В.А. Экономика железнодорожного транспорта: Учеб. для вузов ж.-д. трансп./ B.A. Дмитриев, А.И. Журавель, А.Д. Шишков. Под ред. В.А. Дмитриева. М.: Транспорт, 1996. - 328 с.

21. Долин, П.А., Основы техники безопасности в электроустановках: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. / П.А. Долин - М.: «Знак», 2000.-440 е., ил;

22. Долин, П.А. Основы техники безопасности в электроустановках: Учеб.пособие для вузов / П.А. Долин М.: Энергия, 1979

23. Дьяконов, В.П. Справочник по MATHCAD PLUS 7.0 PRO / В.П. Дьяконов-М.: CK ПРЕСС, 1998

24. Евдокимов, Ф.Е. Теоретические основы электротехники: Учебник. / Ф.Е. Евдокимов, 6-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1994. - 495 е.: ил.

25. Ельчугин, A.B. Комплект конструкторской документации для проектирования элементов заземления / A.B. Ельчугин. Радиопромышленность, 1991, №1

26. Заборовский, А.И. Электроразведка. / А.И. Заборовский. М.: Гостоп-техиздат, 1963

27. Займовский, A.C. Железные шины / A.C. Займовский, Б.А. Садиков, A.A. Кузнецов. Энергоиздат, 1934;

28. Зельдин, Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре / Е.А. Зельдин. — JI.: Энергоатомиздат, 1986. -280 с.

29. Интегральные микросхемы в устройствах автоматики и защиты тяговых сетей / В.Я. Овласюк, В.А. Зимаков, В.И. Дубровин и др.; Под ред. В.Я. Овласюка. М.: Транспорт, 1985. - 302с.

30. Караев, Р.И. Электрические сети и энергосистемы / Р.И. Караев, С.Д. Волобринский. М., Транспорт, 1978.

31. Карякин, Р.Н. Заземляющие устройства электроустановок. Справочник / Р.Н. Карякин. М.: Энергосервис, 1998.

32. Карякин, Р.Н. Критерии безопасности заземлений устройств электрической тяги переменного тока. // Вестник ВНИИЖТ. 1996, №2

33. Карякин, Р.Н. Тяговые сети переменного тока // Р.Н. Карякин. М.: Транспорт, 1964. 186. с.

34. Карякин, Р.Н. Электробезопасность заземляющего устройства // Электричество. 2000, №12

35. Карякин, Р.Н. Электромагнитные процессы в протяженных заземлителях в неоднородных структурах // Локомотив. 1996, №7

36. Кац, Е.Л. Приближенный учет неоднородной структуры грунта при расчете заземляющих устройств. Надежность и безопасность электроснабжения северных районов страны // Е.Л. Кац, Ю.В. Целебровский. Норильск, 1989

37. Косарев А.Б., Косарев Б.И. Электромагнитная совместимость электрических сетей и металлических коммуникаций с тяговым электроснабжением Северо-Муйского тоннеля // Вестник ВНИИЖТ. 2004, №2

38. Косарев, Б.И Повышение электробезопасности на территории тяговых подстанций магистральных железных дорог / Б.И. Косарев, A.A. Лощи-нин // Электрификация и энергетическое хозяйство. Экспресс-информация/ ЦНИИТЭИ МПС. Вып.6. М., 1975

39. Косарев Б.И., Косолапов Г.Н., Дарчиев С.Х. Заземление устройств электроснабжения БАМа. / Электр, и тепловоз. Тяга/ 1980, №10

40. Косарев, Б.И. Методика расчета токов и напряжений короткого замыкания в тяговых сетях постоянного тока / Б.И. Косарев. Тр. МИИТ, 1971, вып. 393

41. Косарев А.Б., Котельников A.B., Косарев Б.И., Недовиченко A.A. Моделирование электрических характеристик заземлителей электроустановоктранспортных тоннелей Вестник ВНИИЖТ, 2003, №5

42. Коструба, С.И. Измерение электрических параметров земли и заземляющих устройств / С.И. Коструба. М.: Энергия, 1972

43. Котельников, A.B. Рельсовые цепи в условиях влияния заземляющих устройств. 2-е изд., перераб. и доп. / A.B. Котельников, A.B. Наумов, Л.П. Слободянюк - М.: Транспорт, 1990

44. Котельников, A.B. Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы / A.B. Котельников. М.: Интекст, 2002. - 104 с.

45. Леонтьев, Р.Г. Инвестиционные процессы и железнодорожное строительство: российский опыт, региональные перспективы, оценка эффективности: Научное издание / Р.Г. Леонтьев, Н.В. Дербас, М.А. Немчани-нова. Хабаровск: ДВГУПС, 2004. - 371 с.

46. Марголин, Н.Ф. Токи в земле / Н.Ф. Марголин М.: Госэнергоиздат, 1947.-195 с.

47. Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К.Г. Марквардт. М.: Транспорт, 1965. - 464 с.

48. Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К.Г. Марквардт М.: Транспорт, 1982.- 528 с.'

49. Масляник В.В., Манилов A.M., О пересмотре требований ПУЭ по вопросам электробезопасности // Электрические станции. 2003, №10

50. Меньшиков Б.Г. и др. Вопросы контроля параметров системы заземления на уровне предпроектных изысканий // Вести Харьковского политехнического института. 1987, №243

51. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инновацийна железнодорожном транспорте. М.: МПС РФ НИИ тепловозов и путевых машин "Транспорт", 1999.-230с.

52. Методические рекомендации по оценке инвестиционных проектов на ж.д. т-те. М.: МПС РФ, 1998.

53. Методические рекомендации по определению экономического эффекта мероприятий научно-технического прогресса на ж.д. транспорте. М.: Транспорт, 1991.

54. Мейер A.A. Поле точечного заземления в полу бесконечной неоднородной среде // Электричество. 1997, №8

55. Найфельд, М.Р. Заземление, защитные меры электробезопасности, изд. 4-е, перераб. и доп. / М.Р. Найфельд. М.: «Энергия», 1971.

56. Найфельд, М.Р. Что такое заземление и защитные меры безопасности / М.Р. Найфельд- М.: Энергия, 1966

57. Нейман, JI.P. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах / JI.P. Нейман. Госэнергоиздат, 1949;

58. Пат. № 45832 Устройство для диагностики состояния контура заземления / Дынькин Б.Е., Чикаров Ю.А. (Россия). № 2005100099; Заявлено 11.01.2005 г. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 27 мая 2005 г.

59. Первая Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов / Под ред. Ю.В. Целебровского Новосибирск: Сибирская энергетическая академия, 2002. - 256 е.;

60. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации. М.: МПС РФ, 1997

61. Правила устройства электроустановок М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002.184 е.;

62. Прохорский, A.A. Тяговые и трансформаторные подстанции / A.A. Про-хорский. М.: Транспорт, 1978. - 536 с.

63. Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования / Под ред. Б.Н. Неклепаева. М.: Изд-во НЦ1. ЭНАС, 2002. 152 с.

64. Рюденберг, Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах / Р. Рюденберг. Изд-во иностранной литературы, 1955;

65. Рябкова, Е.Я. Заземления в установках высокого напряжения / Е.Я. Ряб-кова. М.: Энергия, 1978

66. Свешникова H.A. Котельников A.B. Кандаев В.А. Экспериментальные исследования сопротивления элементов контура заземления различной формы // Вестник ВНИИЖТ. 2003, №4

67. Свешникова Н.Ю. Совершенствование эксплуатационного контроля заземляющих устройств систем тягового электроснабжения электрифицированных железных дорог: Автореферат диссертации канд. техн. наук. -Москва: ОмГУПС, 2004. 23 с.

68. Свид. № 25604 Устройство для контроля качества контура заземления / Дынькин Б.Е., Чикаров Ю.А., Исянов С.Р. (Россия). № 2002109667; Заявлено 11.04.2002 г. Зарегистрирован в Гос. реестре полезных моделей РФ 10 октября 2002 г.

69. Сердинов, С.М. Анализ работы и повышение надежности устройств энергоснабжения электрифицированных железных дорог / С.М. Сердинов. М., Транспорт, 1975. - 366 с.

70. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.1 / Под ред. К.Г. Марквардта. - М., Транспорт, 1980. - 256 с.

71. Стрэттон, Дж.А. Теория электромагнетизма / Дж.А Стрэттон/ — М.:, ОГИЗ, 1948

72. Сумин, А.Р., Обеспечение электробезопасности на тяговых подстанциях переменного тока / А.Р. Сумин. М.: Транспорт, 1975. - 65 с.

73. Устройство для контроля качества контуров заземления действующих электроустановок: Отчет о НИР № 62П-103/ ДВГУПС; Руководитель Б.Е. Дынькин. Хабаровск. 2003.

74. Фигурнов, Е.П. Защита электротяговых сетей переменного тока от коротких замыканий / Е.П. Фигурнов М.: Транспорт, 1979. - 160 с.

75. Черниговский А.Ф., Паранский Н.М. Опыт проектирования заземляющих устройств для молниезащиты, рабочего и защитного заземления // Промышленная энергетика. 1981, №1

76. Чикаров Ю.А, Бахирева М.П. Математическая модель сложного заземляющего устройства Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран: Труды четвертой международной конференции творческой молодежи. Т. 1. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005

77. Чикаров Ю.А. Собственные характеристики элементов заземляющих устройств электроустановок Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран: Труды четвертой международной конференции творческой молодежи. Т. 1. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС

78. Шило, В.Л. Популярные цифровые микросхемы / В.Л. Шило. М.: Металлургия, 1988. - 352 с.

79. Электрические системы. Математические задачи электроэнергетики: Учебник для студентов вузов / Под ред. В.А. Веникова 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Высш. Школа, 1981. - 288 е., ил.

80. Электротехнический справочник: Кн.1 Производство и распределение электрической энергии. Под общ. рук. профессоров МЭИ : И.Н. Орлова и др., 7-е изд., испр. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 880 е.: ил.

81. Якимов Г.Б. Второе рождение электрификации // Вестник ВНИИЖТ, 2000, №1

82. Якобе, А.И., Электробезопасность в сельском хозяйстве / А.И. Якобе, А.В. Луковников М.: Колос, 1981. - 239 е., ил

83. C Technical Report 1662. Assessment of the risk of damage due to lightning. First edition, 1995.