автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Разработка методов и средств повышения эффективности заземляющих устройств в системах железнодорожной автоматики и телемеханики

На правах рукописи

Евдокимова Ольга Геннадьевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Специальность 05.22.08 - Управление процессами перевозок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАЙ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005058798

Работа выполнена на кафедре «Электрическая связь» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургский государственный

университет путей сообщения».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Костроминов Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Фоминич Эдуард Николаевич профессор кафедры электроснабжения, электрооборудования и автоматики Военного института (инженерно-технического) федерального государственного казенного военного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Военная академия тыла и транспорта имени генерала армии А.В. Хрулева»

кандидат технических наук Шатохин Виталий Анатольевич

заведующий НИЛ электромагнитной совместимости и электропитающих устройств железнодорожной автоматики и телемеханики ФГБОУ В ПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный

университет путей сообщения»

Защита состоится «06» июня 2013 г. в 13ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.02 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д.9, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан «06» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук г / Горбачев Алексей Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования Развитие системы управления и обеспечения безопасности движения поездов, предусматривающее разработку методов и средств повышения эффективности работы систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ), является одним из стратегических направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года.

Заземляющее устройство (ЗУ) в данной работе рассматривается, как одна из неотъемлемых частей СЖАТ, определяющая стабильность работы всей системы и электробезопасность обслуживающего персонала.

Опыт показывает, что повреждения оборудования СЖАТ, влияющие на безопасность и управление перевозочным процессом, зачастую обусловлены сопротивлением ЗУ, превышающим нормативное значение (/?„ < 4 Ом). Широкомасштабное обновление средств железнодорожной автоматики и телемеханики подразумевает модернизацию ЗУ, особенно в той проводящей части, которая находится в электрическом контакте с землей (заземлитель). При проектировании СЖАТ раздел по устройству ЗУ является обязательным, но применяемые в настоящее время решения весьма металлозатратны, трудоёмки при строительстве, не обеспечивают стабильности нормируемой величины сопротивления ЗУ при изменении температуры и влажности грунта, недостаточно устойчивы к коррозии, затрудняют визуальный контроль технического состояния заземляющих электродов и препятствуют своевременному наращиванию их числа при ухудшении электрических характеристик. Следствием этого является высокий уровень затрат на ремонт и обслуживание заземлителей, исчисляемых сотнями тысяч, обусловленный их невысоким сроком службы (относительно срока службы СЖАТ).

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в развитие теории и практического использования ЗУ внесли работы В.В. Бургс-дорфа, Р.Н. Карякина, Е.С. Колечицкого, А.М. Костроминова, A.B. Котельнико-ва, В.Е. Митрохина, М.Р. Найфельда, A.B. Наумова, А.Б. Ослона, ЕЛ. Рябко-вой, Ю.В. Целебровского, C.JI. Шишигина, А.И. Якобса и других.

Применение новых подходов к расчету ЗУ при их проектировании, обладающих большей адекватностью по сравнению с существующими, разработка надежных конструкций заземлителей позволит сократить повреждения оборудования СЖАТ, являющиеся последствиями превышений нормативного значе-ня сопротивленя ЗУ, что и обусловливает актуальность настоящей работы.

Целью диссертационного исследования является повышение эффективности проектирования, строительства и эксплуатации заземляющих устройств в системах железнодорожной автоматики и телемеханики.

Для достижения цели в диссертации решаются следующие задачи:

- проведение анализа специфики заземления оборудования СЖАТ и аналитического обзора существующих моделей заземляющих устройств;

- исследование математической модели, позволяющей наиболее адекватно замещать заземлители, и ее адаптация для расчета ЗУ СЖАТ;

- разработка метода оптимизации топологий заземлителей в различных грунтовых условиях по критерию достижения минимального соответствующего нормативному значения сопротивления заземляющего устройства;

- разработка метода оптимизации конуса наконечника модульно-стержневого заземлителя и разработка конструктивных решений для повышения надежности и технологичности заземлителей;

- определение вида антикоррозионного покрытия модульно-стержневых заземлителей, наиболее стойкого к повреждению поверхности при их заглублении в грунты, содержащие щебень, куски бетона и другие травмоопасные элементы, характерные для территорий вблизи железнодорожного полотна.

Объектом исследования являются заземлители СЖАТ. Предмет исследования - совершенствование заземлителей на основе результатов моделирования и экспериментов для повышения эффективности их проектирования, строительства и эксплуатации.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались фундаментальные положения теоретической электротехники, базовые положения теории заземления, методы математического анализа, математического моделирования, натурные испытания.

2

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. На основе исследования различных моделей заземлителей предложено использовать цепно-полевую модель (ЦПМ), имеющую программную реализацию и позволяющую наиболее адекватно отражать процессы протекания токов через ЗУ СЖАТ, учитывая их специфические топологические и конструктивные особенности.

2. Предложен метод оптимизации топологий заземлителей в различных грунтовых условиях по критерию достижения минимального соответствующего нормативному значения сопротивления заземляющего устройства с использованием цепно-полевой модели (ЦПМ) для замещения заземлителя, что позволяет сократить расход металла при строительстве новых и ремонте выработавших ресурс заземлителей.

3. Разработана математическая модель и на ее основе определена оптимальная геометрическая характеристика конусного наконечника модульно-стержневого заземлителя по критерию минимального лобового сопротивления при погружении в грунт, а также предложен усовершенствованный способ безмуфтового соединения стержней, что позволяет повысить производительность труда и снизить энергозатраты при монтажно-строительных работах.

4. Методом экспериментальных испытаний определено преимущество применения антикоррозионного покрытия заземлителей, выполненного по технологии термодиффузионного цинкования (ТДЦ), перед другим видом антикоррозионного покрытия при травматических воздействиях в ранее не исследованных грунтовых условиях, характерных для объектов СЖАТ.

Научная новизна представленной работы заключается в следующем:

1. Предложена ЦПМ для замещения ЗУ СЖАТ, позволяющая, в отличие от ранее применяемых моделей, рассчитывать заземлители любой топологии и конструкции в грунтах с произвольным удельным сопротивлением.

2. Сформулирована и решена задача оптимизации топологий заземлителей методом замещения заземлителя цепно-полевой моделью по критерию достижения минимального соответствующего нормативному значения сопротивления заземляющего устройства при произвольных грунтовых условиях.

3. Поставлена и решена задача определения оптимального угла раскрытия (заострения) конусного наконечника модульно-стержневого заземлителя по критерию минимального лобового сопротивления при погружении в грунт. Получен оптимальный угол раскрытая наконечника для глинистых и песчаных грунтов, который повышает технологичность и производительность работ по заглублению заземлителей. Усовершенствован способ безмуфтового соединения стержней, обеспечивающий в отличие от существующих соединений надежный электрический контакт между отдельными стальными стержнями в результате повышения стойкости соединения таких стержней к изломам при погружении в почву, а также позволяющий снизить энергозатраты при строительно-монтажных работах.

4. Введено понятие «травмостойкость антикоррозионного покрытия заземлителей» и доказано, что для антикоррозионной защиты заземлителей, заглубляемых вблизи железнодорожного полотна, следует использовать термодиффузионное цинкование.

Теоретическая значимость исследований заключается в расширении методической базы проектирования заземлений СЖАТ, соответствующих заданным нормативам сопротивлений, и конструирования заземлителей.

Практическая значимость состоит в том, что применение предложенных автором конструкций стержневых заземлителей позволит снизить расходы при строительстве (материальные затраты вследствие сокращения расхода металла, трудовые затраты в результате сокращения объема работ), а также при эксплуатации (увеличение срока службы за счет повышения стойкости к коррозии).

Достоверность результатов обеспечивается корректностью исходных математических положений, обоснованностью принятых допущений, проверкой соответствия теоретических результатов экспериментальным данным, внедрением разработок.

Реализация и внедрение научных результатов работы. Результаты, полученные в диссертации, приняты к использованию ЗАО «Форатек АТ» при разработке проектных решений в части заземления постов электрической цен-

трализации на станциях Забайкальской и Юго-Восточной железных дорог, а также ООО «Алстрим Энерго» при серийном производстве и монтаже наконечников модульно-стержневых заземлителей с оптимальным углом заострения, что подтверждено актами о внедрении. Научный результат диссертационной работы использован в учебном процессе кафедры «Электрическая связь» ПГУПС в дисциплине «Электромагнитная совместимость и средства защиты».

Апробация результатов диссертационного исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях, проводимых Санкт-Петербургской организацией Общероссийской общественной организации «Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова» (СПбНТОРЭС), посвященных Дню радио (С.-Петербург, 2009, 2010, 2011, 2012г.г.), на заседании секции «ЭМС в техно- и биосфере» Дома ученых им. М.Горького РАН (2013г.), на заседании кафедры «Электрическая связь» ПГУПС.

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получен один патент на полезную модель.

Личный вклад. В работе излагаются результаты, вклад в которые автора был существенным на всех этапах; экспериментальные исследования проведены при непосредственном участии автора; конструкция соединения стержней заземлителя разработана и запатентована в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 52 рисунка и одно приложение на 3 листах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования.

В первой главе выполнен аналитический обзор состояния вопроса по ЗУ СЖАТ, как объекта научного исследования, и выявлен ряд специфических особенностей заземления СЖАТ, которые заключаются в следующем:

- СЖАТ обладает малыми токами короткого замыкания на землю в подсистеме внешнего электроснабжения, что обусловливает сравнительно высокий норматив на допустимое сопротивление заземления (Лн < 4 Ом);

- многочисленные кабели и цепи, расположенные радиально относительно заземлителя СЖАТ, непреднамеренно соединяют его с удаленной землей, в том числе и рельсами с их высокой электропроводностью, и подвержены гальваническому влиянию, обусловленному протеканием в земле обратных тяговых токов;

- заглубление заземлений осуществляется в грунтах, содержащих щебень, раздробленный бетон и другие травмоопасные элементы, характерные для территорий вблизи железнодорожного полотна.

В результате обзора работ по теории и методам расчета заземляющих устройств ЦПМ, разработанная Шишигиным С.Л., предложена как наиболее адекватная для моделирования и расчета заземлителей СЖАТ при воздействии синусоидального тока.

Сформулирована цель работы и основные задачи исследования.

Во второй главе исследована ЦПМ и адаптирована к решению поставленных задач как инструмент для определения параметров заземлителей СЖАТ различных топологий при воздействии синусоидального тока в произвольных грунтовых условиях.

В цепно-полевой модели заземлителя для определения сопротивлений, индуктивностей, емкостей элементов заземлителя используется полевая модель (рис. 1а). Входное сопротивление, потенциалы элементов заземлителя, продольные и стекающие токи элементов определяются аппаратом теории цепей по цепной модели (рис. 16) после переноса на нее найденных электромагнитных параметров. На основе полученных токов, возвращаясь к полевой модели, рассчитываются распределение потенциала и напряженности электрического и магнитного полей.

В полевой модели заземлителя электрические и магнитные связи между элементами заземлителя представляются в виде квадратных матриц проводимо-стей С, емкостей С и индуктивностей М. Матрица проводимостей С=Я"' полу-

чается нахождением обратной квадратной матрицы сопротивлений растеканию тока. Инверсией матрицы потенциальных коэффициентов определяется матрица емкостей С=а"\

Для учета влияния границы раздела двух сред применяется метод зеркальных изображений.

Взаимная индуктивность элементов описывается следующим выражением:

где Шу — потокосцепление /-ого стержня, создаваемое током I /-ого стержня. Принимая во внимание аналогию со стационарными полями, для нахождения элементов матрицы взаимных индуктивностей М и матрицы потенциальных коэффициентов а достаточно рассчитать матрицу сопротивлений Я и повторных расчетов не требуется.

Цепная модель описывает схему с симметричными П-образными четырехполюсниками с продольными сопротивлениями и поперечными проводимо-стями. Для определения С/С-параметров элементов ЗУ в узлах П— четырехполюсников ЦПМ производится преобразование матриц в, С, найденных методами теории поля в средних точках элементов, в узловые матрицы Су, Су из условия неизменности стекающего тока элементов

Су = НС' IV. Су В-С'ВГ,

где В - связанная с А матрица (Ьц= \а,)/2), позволяющая связать стекающие токи элементов Л с поперечными токами узлов четырехполюсников а также потенциалы средних точек элементов ф с потенциалами С/ узлов четырехполюсников ф =ВТ*11, А- матрица соединений, описывающая топологию продольных ветвей ЗУ.

При воздействии источников синусоидального тока расчет модели стержневого заземлителя (рис. 1) выполняется одним из методов расчета электрических цепей - методом узловых потенциалов. Тогда система узловых уравнений имеет следующее матричное представление:

(Аг-'-Ат+В-У-Вт) • и=л„„, где Z =гНу'со(Ь+М) —матрица продольных сопротивлений ветвей, г, Ь -собственные активные сопротивления и внутренние проводимости элементов, У =С-1^'а>С -матрица поперечных проводимостей элементов, и — искомый вектор потенциалов узлов, 1ИСТ— вектор задающего тока источника. Потенциалы узлов и, стекающие ] токи и продольные I определяются согласно выражениям:

л=у вт и, [=г '-Ат и. Описание геометрии ЗУ СЖАТ в цепно-полевой модели в матричной форме позволяет рассчитывать произвольные трехмерные конструкции ЗУ. Важно отметить, что допущение ЦПМ о том, что заземлитель состоит из элементов круглого сечения, не является препятствием для применения этой модели при решении задач настоящей работы, поскольку все характерные элементы системы заземления СЖАТ возможно моделировать стержнями эквивалентного диаметра.

В третьей главе разработан метод оптимизации топологий заземлителей в различных грунтовых условиях по критерию достижения минимального соответствующего нормативному значения сопротивления ЗУ.

Проведен анализ условий, влияющих на значение сопротивления заземления, таких как: методы предпроектных изысканий грунта, непостоянство удельного сопротивления грунта в зависимости от сезонных атмосферных и климатических условий, геометрические параметры и топология заземлителя. Для моделирования и расчета параметров ЗУ СЖАТ использовалась программа

ЗУМ, реализующая автоматизированный расчет по ЦПМ на базе МаЛсас! и А иШсас!-совместимых систем.

Полученные результаты сравнения топологий заземлителей показывают, что вертикальный стержневой заземлитель СЖАТ, например, длиной 1,Е =7.5 м (рис. 2а) на различной глубине укладки (расстояние от поверхности земли до заземлителя) Я от 0 до 1,2 м обеспечивает меньшее значение сопротивления заземления при сезонном увеличении удельного сопротивления грунта на глубине до 0,7 м, в отличие от аналогичного горизонтального (рис. 26).

[{£, О»!

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1.1 1,2

— К* Суглинок увлажненный р!-р?= 40 Ом*м (при Т выше ОС)

• *Яу: Суглинок промерзший р1=150 Ом*м (при Т минус 5С), р2=40 Ом* и (при Т выше ОС)

| [.....[ г"

¡1 и — _ _ _

N

1

0 0,1 0,2 0.3 0.4 0,5 0,6 0.7 0,8 0.9 1 1,1 1.2 - Кц, Суглинок увлажненный р 1=р2= 40 Ом*м (приТ выше ОС) ' "Яё, Суглинок промерзший р=150 Ом*м (при Т минус 5 С)

а)вертикального б)горизонтального

Рисунок 2 - Зависимость сопротивления (Кл\ заземлителя от глубины Я

Анализ результатов моделирования (рис. За, б) показывает, что увеличение длины горизонтальных и вертикальных заземлителей ведет к снижению влияния сезонных изменений параметров грунта на значение сопротивления заземления. При этом, возможно оценить длину заземлителя, наращивание сверх которой с точки зрения снижения сопротивления неэффективно. Например, для типа грунта - песок эта величина составляет 12 м (рис. 36). С целью подтвер-

Кк, Ом

50

1 [ ' |

! |

1 !

—___*

1

) •—

«V. Ом

чч ... _ — ----- - г---

1

_______

I— — п: Лв,

Л 7,5 9 10.5 12 13,5 15

»•Яг. Песок р1=15000м*м,р2=1300м,м

■*- Яё, Песок увлажненный р 1=р2= 40 Ом*м (при Т= выше ОС)

6 8 9 II 12 14 15 ■•Яу, Песок р1=1501> Ом*м . р2«130 Ом*м Яу. Песок увлажненный р1=р2=40 Ом*м (при Т выше ОС)

а) горизонтального б) вертикального

Рисунок 3 - Зависимость сопротивления заземления от длины электрода Ь

9

И, Ом

ждения результатов моделирования были проведены натурные испытания мо-дульно-стержневого заземлителя типа МСЗ-16 вблизи поста электрической централизации (ЭЦ) станции Сестрорецк. параметры грунтов на которой схожи с принятыми при расчете. Полученные результаты согласуются с теоретическими (длина вертикального заземлителя составляет 12 м) и указывают на то, что точечные глубинные (длиной более 5 м) вертикальные МСЗ позволяют достигать слоев грунта, не подверженных сезонным колебаниям удельного сопротивления, и не требуют при этом больших площадей для монтажа, что актз'ально для заземления объектов СЖАТ.

Исследования зависимости значения сопротивления заземления от топологии заземлителя СЖАТ (рис. 4) показывают, что для горизонтального заземлителя двухлучевая (пл = 2, где пл — число горизонтальных лучей) топология наиболее рациональна, причем при длине луча за-Рисунок 4 - Зависимость сопротивления землителя более 10 м начинают горизонтальных заземлителей от числа и сказываться его собственное со-длины лучей противление и индуктивность.

Для оценки снижения значения сопротивления ЗУ из горизонтальных К, заземлителей при добавлении вертикальных /?гв введен коэффициент Кв:

К, =/?г-в//?г.

Анализ результатов исследования показал, что сопротивление заземления снижается с увеличением длины вертикальных электродов ¿в относительно длины горизонтальных лучей (ил Ьл). Например, при фиксированном относительном расстоянии между смежными вертикальными заземлителями (а/Ьв) и их одинаковой металлоемкости эффективнее использовать меньшее число более длинных электродов в 2-х лучевой горизонтальной топологии (рис.5). Под металлоемкостью здесь понимается объем металла, необходимый для изготов-

ления стержневых вертикальных заземлителей радиусом г, длинной Ьв в количестве пв, которые требуется установить в 2-х, 3-х или 4-х лучевую горизонтальную топологию ЗУ для достижения К,,

0,020

0,018 я 0,016 | 0,014 2 3 0,012 & с2 0,010 й ^ 0,008 § ^ 0,006 | 0,004 ^ 0,002 ^ 0,000

л

ж'

X'

9 х Зм —7 ,к

А . V 6 х 5м

7 х 4,5 VI

Кв

-2 луча ^ 3 луча ;-4 луча »0,006 мЗ

0,37 0,35 0,34 0,33 0,323 0,317 Рисунок 5 - График зависимости Л"вот металлоемкости при а/Ьв=0,5

По причине отсутствия в современных нормативных и руководящих документах рекомендаций по расположению глубинных вертикальных заземлителей друг относительно друга с целью определения их рациональной топологии потребовалось исследовать связь относительного расстояния между вертикальными заземли-телями а/Ъь и их длины /,в. Выявлено, что одно и то же значение коэффициента эффективного использования к вертикальных стержней соответствует разным относительным расстояниям а!Ьв между глубинными и короткими заземлителями (рис.6). Использование результатов проведенных исследований позволяет построить график зависимости сопротивления заземления от различных топологий заземлителей объектов СЖАТ и выбрать оптимальную для конкретных

1 1

к, коэф. 0,97 ;

эффектна. 0,96 :

использ.

0^93 ! ■♦■Ьв- Зм 0,92 < с 0,91 — Ьв= 4,5м 0д

•••Ьв=6м 0,89 0,88

-«-1.в= 9м 0,87 . , 0,86 -*-ЬВ= 12М д

*Ьв= 15м 0^84

0,83 , —Ьв= 21 м о,82

-к-0.88 °ь81

0,5

Рисунок 6 - График зависимости к от а/ЬК в грунте 100 Ом*м

грунтовых условий по критерию минимального соответствующего нормативному значения сопротивления заземляющего устройства. Например, на (рис. 7) построена зависимость сопротивления заземления от топологий заземлителей поста ЭЦ в двухслойном грунте с удельным сопротивлением верхнего слоя Р!=100 Ом*м, толщиной верхнего слоя /г)=0,25 м, удельным сопротивлением нижнего слоя р2 =60 Ом*м.

4,6 4,4 4,2 4 3,8 3,6 3,4 3,2 3

Рисунок 7 - Зависимость сопротивления заземления от топологии заземлителя

В четвертой главе выполнен аналитический обзор существующих технических решений в области конструкций МСЗ и обозначены их недостатки. Для исключения выявленных недостатков предложена к применению запатентованная (в соавторстве) конструкция безмуфтового соединения стержней заземлителя с помощью расклинивающей вставки, обеспечивающая в отличие от существующих соединений надежный электрический контакт между отдельными стальными стержнями в результате повышения стойкости соединения таких стержней к изломам при погружении в почву (рис. 8).

Разработанная конструкция соединения стержней удовлетворяет нормативу на значение сопротивления соединения, что подтверждено проведенными

И, Ом

♦

♦

♦

.....♦

♦

♦ ♦

Топ о: юг и и

1х24м2х12м2х12м2х12м 4x6м 4x6 м 4хйм 8 хЗм 4 x6 м 4x6 м при при при при при при когаур контур "Г-<Л=1 аЛЬ=0,75 а/1^0,5 аЮ=\ аД;=0,75 ¡А=0,5 образн."

МП пптгп 11 ггГ1'1

испытаниями, показавшими, что дополнительное применение гидрофобной смазки дает улучшение сопротивления перехода не более 0,04 мОм.

4—

1-первый заглубляемый стержень, 2- верхний стержень, 3- расклинивающая вставка, 4- диаметральные разрезы шейки стержня, 5-уплотняющее кольцо

Рисунок 8 - Разработанное механическое соединение стержней

Разработан метод, позволяющий определять оптимальный угол заострения « конуса наконечника модульно-стержневого заземлителя по критерию минимального лобового сопротивления грунта при его заглублении при известном угле трения о грунт ср:

2tga = 8т2(а+ф,) .

Определен оптимальный угол заострения конусного наконечника для глинистых и песчаных грунтов, применение которого повышает технологичность и производительность работ по заглублению заземлителей.

В главе представлены результаты нового экспериментального исследования и сравнения травмостойкости двух типов антикоррозионного покрытия, используемых для стальных стержней заземления: нанесенного электролитическим способом медного (наиболее распространенного) и выполненного по технологии термодиффузионного цинкования. Установлено, что при заглублении заземлителей вблизи железнодорожного полотна травмостойкость покрытия по технологии ТДЦ (рис. 96) в три раза выше, чем у исследуемого медного (рис. 9а).

а) омедненные б) по технологии ТДЦ

Рисунок 9 - Повреждения на поверхности заземлителей

В пятой главе показано, что применение разработанного метода оптимизации топологий заземлителей по критерию минимального соответствующего нормативному (Д,<4 Ом) значения сопротивления заземляющего устройства при переменном токе 50 Гц и наихудших свойствах грунта позволяет сократить расход металла при строительстве новых заземлителей СЖАТ.

На примере заземления поста ЭЦ на станции Арабатук Забайкальской железной дороги в грунте с большой глубиной сезонного промерзания 4,2 м выполнен сравнительный расчет для двух вариантов заземлителей: с использованием угловой стали (традиционный способ) и с применением МСЗ. Результаты показали, что сопротивление контурного заземлителя с 10-ю МСЗ длиной 9 м меньшее на 1 Ом, чем с 44-мя уголковыми конструкциями длиной Зм, при этом расход металла снижен в 12,9 раз.

Результаты моделирования заземлителей поста ЭЦ на станции Кирсанов Юго-Восточной железной дороги со средней глубиной сезонного промерзания грунта 2 м и низким удельным сопротивлением слоев грунта ниже 3 м подтверждают эффективность заземления с применением МСЗ по сравнению с

уголковыми конструкциями:

- установка только одного МСЗ длиной 6 м вместо четырех уголковых заземлителей данной 2,5 м с горизонтальным контуром по периметру поста, позволила достичь нормативного значения Ян , обеспечив снижение расхода металла в 11,8 раза.

Грунтовые условия на этой станции характерны для обширной территории России и разработка технического решения по оборудованию данного поста ЭЦ заземлением может послужить основой для типового проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе достижения сформулированной цели и решения поставленных задач в диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Проведен анализ существующих подходов к заземлению СЖАТ, на основе которого выявлены и сформулированы характерные отраслевые особенности организации заземления в системах железнодорожной автоматики и телемеханики, которые необходимо учитывать при расчете параметров ЗУ.

2. Выполнен анализ различных моделей заземляющих устройств, в результате определена цепно-полевая модель и адаптирована для моделирования и расчета параметров заземлителей СЖАТ при воздействии синусоидального тока для произвольных конфигураций заземлителей.

3. Разработан метод оптимизации топологий заземлителей в различных грунтовых условиях по критерию минимального соответствующего нормативному значения сопротивления заземляющего устройства с использованием цеп-но-полевой модели и ее программной реализации. Проанализированы наиболее значимые условия, влияющие на значение сопротивления ЗУ: методы пред-проектных изысканий фунта, определяющие достоверность информации о его структуре; удельное сопротивление грунта, изменяющееся при сезонных колебаниях температуры и влажности; топология заземлителя. Определены взаимосвязи между топологиями заземлителей СЖАТ и их сопротивлениями и разработаны рекомендации по достижению стабильных нормируемых показателей сопротивления заземления СЖАТ.

4. Исследованы существующие конструкции заземлителей СЖАТ, в качестве перспективной предлагается использовать модульно-стержневые зазем-лители. Для повышения их надежности и технологичности предлагается:

• использование разработанной конструкции соединения стержней заземлителя с помощью расклинивающей вставки;

• использование наконечника в виде кругового конуса с рптимальным углом заострения, повышающим производительность работ по заглублению и обеспечивающим минимум усилий при его погружении в грунт. Разработан метод определения оптимального угла раскрытия наконечника;

• применение материалов и конструкций, устойчивых к коррозии, а именно стальных с цинковым антикоррозионным покрытием, выполненным по термодиффузионной технологии.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи, опубликованные в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Шершакова, О.Г. (Евдокимова, О.Г.) Оптимальный угол раскрытия наконечника модульно-стержневого заземлителя/ О.Г. Шершакова // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2011. - Вып. 3(28). - С. 217-226.

2. Евдокимова, О.Г. Модели заземляющих устройств в системах обеспечения движения поездов / А. М. Костроминов, О.Г. Евдокимова // Транспорт Урала. - 2012. -№1(32). - С. 138-142.

Остальные публикации

3. Шершакова, О.Г. (Евдокимова, О.Г.) Роль заземлений в современных установках электросвязи/ О.Г. Шершакова // Труды 65-ой научно- технической конференции, поев. Дню радио. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. - С. 216-218.

4. Шершакова, О.Г. (Евдокимова О.Г.) Сравнение отдельных способов соединения элементов модульно-стержневых заземлителей// А.М. Костроминов, A.A. Костроминов, О.Г. Шершакова / Труды 66-ой научно- технической конференции, поев. Дню радио. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. - С. 238-239.

5. Шершакова, О.Г. (Евдокимова, О.Г.) Сравнительные испытания на травмосгой-кость заземляющих стержней в естественных условиях/ A.M. Костроминов, A.A. Костроминов, О.Г. Шершакова // Труды 66-ой научно- технической конференции, поев. Дню радио.-СПб. : СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011,- С. 240-241

6. Шершакова, О.Г. (Евдокимова, О.Г.) Сравнительные испытания соединений модулыю-стержневых заземлителей на поведение переходного сопротивления/ А.МКостроминов, A.A. Костроминов, О.Г. Шершакова // Труды 66-ой научно- технической конференции, поев. Дню радио.- СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011.-С. 241-242.

7. Патент 103424 Российская Федерация, МПК HOIR 4/66. Заземлитель / Громов О.И., Иващенко В.Б., Каменев A.A., Костроминов A.A., Костроминов A.M., Насонов Г.Ф., Соседов Ю.К., Шабалин А.Н., Шершакова О.Г. (Евдокимова О.Г.) -№2010144663/07 ; заявл. 01.11.2010; опубл. 10.04.2011, Бюл.№10.-5с. : ил.

8. Евдокимова, О.Г. Анализ развития конструкций заземляющих устройств [Электронный ресурс] / О.Г. Евдокимова // Бюллетень результатов научных исследований: электронный научный журнал. - СПб. : ПГУПС. -2012. - Вып. 2.- С. 50-58.

9. Евдокимова, О.Г. Сопротивление заземлителей при токах низкой частоты/ А.М. Костроминов, О.Г. Евдокимова// Труды 66-ой научно- технической конференции, поев. Дню радио. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. - С.177-179.

10. Евдокимова, О.Г. Сравнительная оценка вертикальных и горизонтальных стержней для конструкции рабочего заземлителя [Электронный ресурс] / О.Г. Евдокимова // Бюллетень результатов научных исследований : электронный научный журнал. - СПб. : ПГУПС. -2012. - Вып. 3 .- С. 31-39.

Подписано к печати 22.04.13. Бумага дм множит, апп. Усл. печ. л. 1,0

Печать-ризография Заказ 424. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз.

Типография ПГУПС, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

На правах рукописи

0420135^7^6

ЕВДОКИМОВА Ольга Геннадьевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И

ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Специальность 05.22.08- Управление процессами перевозок

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Костроминов А.М.

Санкт Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................................................6

1.1. Выделение объекта исследования.....................................................................................6

1.2. Анализ специфики организации заземления для систем железнодорожной автоматики и телемеханики....................................................................................................11

1.3. Аналитический обзор моделей заземляющих устройств..............................................12

1.4. Анализ конструктивных решений заземлителей...........................................................19

1.5. Цель и задачи диссертации..............................................................................................26

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАЗЕМЛИТЕЛЯ ДЛЯ СЖАТ.........................27

2.1. Модель заземлителя при синусоидальном токе.............................................................27

2.2. Стержневые модели элементов заземления...................................................................33

2.3. Программная реализация расчета заземления...............................................................34

2.4. Выводы по главе...............................................................................................................38

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЗНАЧЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ.............................................................................................................................39

3.1. Анализ наиболее часто применяемых методов предпроектных изысканий...............39

3.2. Исследование влияния температуры и влажности грунта на сезонную изменчивость сопротивления заземлителя....................................................................................................41

3.3. Экспериментальная оценка динамики изменения сопротивления заземления от длины вертикального заземлителя.........................................................................................49

3.4. Анализ влияния топологий заземлителей на изменение значения сопротивления заземления................................................................................................................................51

3.5. Исследование функциональной связи между длиной и расстоянием между смежными вертикальными заземлителями...........................................................................56

3.6. Выводы по главе...............................................................................................................62

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО КОНСТРУКЦИИ МОДУЛЬНО-СТЕРЖНЕВЫХ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ...........................................................................................65

4.1. Исходные требования.......................................................................................................65

4.2. Конструктивные решения................................................................................................65

4.2.1. Соединение элементов модульно-стержневых заземлителей...................................65

4.2.2. Оптимальный угол раскрытия наконечника модульно-стержневого заземлителя .70

4.2.2.1. Взаимодействие наконечника заземлителя с грунтом............................................71

4.2.2.2. Определение оптимального угла раскрытия наконечника для снижения лобового сопротивления грунта..............................................................................................................74

4.3. Выбор метода антикоррозионного покрытия................................................................79

4.4. Исследование травмостойкости антикоррозионного покрытия заземлителя.............84

4.5. Исследование соединений модульно-стержневых заземлителей на поведение переходного сопротивления...................................................................................................87

4.6. Выводы по главе...............................................................................................................90

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗУ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СЖАТ.................................................91

5.1. Алгоритм проектирования заземляющих устройств.....................................................91

5.2. Проектирование заземляющего устройства поста электрической централизации на ст. Арабатук в грунте со значительной сезонной глубиной промерзания.......................93

5.2.1. Проектирование заземлителя с использованием вертикальных электродов из угловой стали на станции Арабатук......................................................................................96

5.2.2. Проектирование заземлителя с использованием модульно-стержневых конструкций на станции Арабатук.......................................................................................100

5.2.3. Проектирование контура заземления для выравнивания потенциалов и измерительного заземления на станции Арабатук.............................................................102

5.3. Проектирование заземляющего устройства поста электрической централизации в грунте с незначительными сезонными колебаниями удельного сопротивления на станции Кирсанов..................................................................................................................105

5.3.1. Проектирование заземлителя с использованием вертикальных электродов из угловой стали на станции Кирсанов....................................................................................107

5.3.2. Проектирование заземлителя с использованием модульно-стержневых конструкций на станции Кирсанов......................................................................................109

5.4. Выводы по главе.............................................................................................................111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................112

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ....................................123

ВВЕДЕНИЕ

Одним из стратегических направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года является «Система управления и обеспечения безопасности движения поездов», предусматривающая разработку методов и средств повышения эффективности работы систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ).

Заземляющее устройство (ЗУ) в данной работе рассматривается, как одна из неотъемлемых частей СЖАТ, определяющая стабильность работы всей системы и электробезопасность обслуживающего персонала. Требования достижения нормативных значений сопротивления заземления (в т.ч. с целью электробезопасности) на объектах СЖАТ подлежат безусловному выполнению и достигаются с помощью ЗУ, и во многом зависят от его технического состояния.

При проектировании этих устройств возникают задачи выбора рациональной конструкции системы заземлителей, без решения которых надежное функционирование СЖАТ и экономичность невозможны.

Опыт показывает, что повреждения оборудования СЖАТ, влияющие на безопасность и управление перевозочным процессом, зачастую обусловлены сопротивлением ЗУ, превышающим нормативное значение (Я„<4 Ом). Масштабное обновление средств железнодорожной автоматики и телемеханики в настоящее время подразумевает модернизацию ЗУ, особенно в той проводящей части, которая находится в электрическом контакте с землей (заземлитель). При проектировании СЖАТ раздел по устройству ЗУ является обязательным, но применяемые типовые решения и конструкции заземлителей весьма металлозатратны, трудоёмки при строительстве, не только не обеспечивают сезонную стабильность нормируемой величины сопротивления ЗУ, недостаточно устойчивы к коррозии, затрудняют визуальный контроль их технического состояния и препятствуют оперативному наращиванию числа заземляющих электродов при ухудшении их электрических характеристик. Кроме того, предельный срок эксплуатации используемых на практике заземлителей оказывается значительно меньше, чем у оборудования СЖАТ.

Следствием этого является высокий уровень затрат на ремонт и обслуживание исчисляемых сотнями тысяч заземлителей, обусловленный их невысоким, относительно всей СЖАТ, сроком службы.

Указанный ряд проблем, связанных с функционированием и эксплуатацией ЗУ СЖАТ не является исчерпывающим.

Значительный вклад в развитие теории и практического использования заземляющих устройств внесли ученые Э.М. Базелян, В.В. Бургсдорф, Р.Н. Карякин, Е.С. Колечицкий, A.M. Костроминов, A.B. Котельников, В.Е. Митрохин, М.Р. Найфельд, А.В.Наумов, А.Б. Ослон, Е.Я. Рябкова, Ю.В. Целебровский, С.Л. Шишигин, А.И. Якобе и другие.

Применение новых математических подходов к расчету ЗУ при их проектировании, обладающих большей адекватностью по сравнению с существующими, разработка надежных конструкций заземлителей позволит решить обозначенные проблемы, это будет способствовать предотвращению аварийных ситуаций и отказов СЖАТ, что и обусловливает актуальность настоящей работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Выделение объекта исследования

Проблема низкой эффективности существующих технических решений по заземлению оборудования СЖАТ, зачастую затрудняет их ввод и эксплуатацию и занимает приоритетное место среди ключевых задач повышения надежности устройств автоматики, телемеханики и связи, обеспечивающих бесперебойное движение поездов, и электробезопасность обслуживающего персонала.

По данным [1], в хозяйстве автоматики из года в год допускаются опасные случаи грубого нарушения безопасности движения. Согласно информации из сводной отчетности за 2010-2011 годы, предоставленной Службой автоматики и телемеханики Центральной Дирекции Инфраструктуры Октябрьской железной дороги почти половина всех отказов, вызывающих задержки поездов, относятся к Службе автоматики (службе «Ш») (рис. 1.1).

Рисунок 1.1- Процентное соотношение отказов по хозяйствам

Если рассматривать повреждения устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) по элементам, последствием которых были задержки поездов, за 2010 и 2011 год на примере Службы автоматики и телемеханики Октябрьской железной дороги, то наибольшее их количество допущено по монтажу стативов и релейных шкафов, аппаратуре, рельсовым цепям, элементам защиты устройств от перенапряжений (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Повреждения по видам устройств СЦБ за 2010 и 2011 год

Следует отметить, что на Октябрьской дороге количество нарушений нормальной работы устройств СЦБ в 2011 году увеличилось на 12,7% по отношению к 2010 году. Специалисты дистанций СЦБ на производственных семинарах [2, 3, 4] отмечают, что проблема безопасности стоит остро.

Анализируя статистические данные о причинах отказов в программе АСУШ-2 по Октябрьской железной дороге за период с 2008 по 2011 год, можно сделать вывод, что число повреждений аппаратуры из-за бросков напряжений удваивается каждые два года.

Техническое перевооружение хозяйства сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) на электронную элементную базу обострило вопрос защиты таких систем [5, 6]. Опыт эксплуатации показывает - большинство отказов и проблем с нормальным функционированием электрооборудования СЖАТ, возникающих при коротких замыканиях связано с неудовлетворительным состоянием заземлителей и связей между элементами заземляющего устройства. Заземлитель участвует в канализации токов, при этом, чем выше показатель сопротивления заземления, тем больший ток ответвляется в цепи устройств автоматики и телемеханики на линиях и станциях [7]. Если энергостойкость элементов аппаратуры оказывается ниже энергии ответвившегося тока, то защитные устройства и сами СЖАТ разрушаются.

При аварийных ситуациях на высоковольтной стороне нередки случаи попадания фазного напряжения в устройства СЖАТ. Чаще всего такие ситуации происходят зимой и их последствия носят разрушающий характер для оборудования, которое сгорает на стативах. Важно отметить, что отсутствие заземления, с удовлетворяющим нормативному значению сопротивления, несет угрозу поражения обслуживающего СЖАТ персонала. В то время как его наличие обеспечивает своевременное срабатывание защиты, сохраняя жизнь людей.

Повреждение и отказ аппаратуры автоматики и телемеханики в свою очередь становится причиной остановки, нарушения графика движения поездов до устранения неисправности. Управление и регулирование движением поездов в таких ситуациях вынуждены полностью брать на себя соответствующие операторы (дежурные по станциям, поездные диспетчеры, машинисты) [8], надежность которых мала, что негативно отражается на безопасности перевозок [9].

Например, в августе 2010 года из-за термического разрушения элементов панели питания на ст. Дача Долгорукова (Ладожский вокзал, ШЧ-11) произошел сбой телесигнализации и было утрачено управление некоторых объектов станции, что привело к задержке пассажирских, пригородных и грузовых поездов продолжительностью от 6 минут до двух с половиной часов соответственно. При нормативном значении сопротивления заземления поста сработала бы система защиты от предельно допустимого тока. Аналогичное повреждение на ст. Лисий Нос (ШЧ-11) в апреле 2011 повлекло за собой более чем 9-ти часовой перерыв пригородного сообщения, в декабре того же года на перегоне Подобино - Бежецк ШЧ-3 - 8-ми часовую задержку движения грузовых поездов.

Анализируя причины поражений устройств автоматики по Октябрьской дороге, можно заключить, что проблема эффективности существующего заземления носит территориально-распределенный характер.

Распределение повреждений в системе электрической централизации (ЭЦ) Октябрьской железной дороги приведено на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 - Распределение повреждений по видам устройств в системе ЭЦ за 2010 и

2011 годы

Существующие типовые технические решения по заземлению автоматических систем управления на железнодорожном транспорте на практике оказываются недостаточно эффективными [10, 11], что, как показывает практика, влияет на процесс управления перевозок и безопасность движения поездов. При решении данной проблемы следует использовать комплексный, т.е. системный подход.

Заземлители, смонтированные двадцать и более лет назад уже не удовлетворяют нормам сопротивления современного оборудования. Однако и проектируемые заземляющие устройства для оборудования СЖАТ, отличаются применением недостаточно проработанных типовых решений пятидесятилетней давности с точки зрения топологии заземлителя, его конструкции и использования «черных» металлов (с резко ухудшившимися за последние десятилетия показателями коррозиестойкости), которые не выдерживают даже 5 лет эксплуатации. Коррозия, согласно опыту сети железных дорог, сильно влияет на эффективность заземлителей. Износ заземляющего устройства является одной из причин неудовлетворительного качества заземления оборудования СЖАТ.

В свою очередь электронные устройства СЖАТ, обладая малыми габаритами, пониженной электрической прочностью и токонесущей способностью по сравнению с релейными системами, предъявили новые требования [12] к заземлению: по обеспечению стабильного нормированного значения сопротивления вне зависимости от сезонных

колебаний температуры и влажности грунта, по долговечности и технологичности монтажа. При существующей ситуации массового внедрения современных микропроцессорных устройств велика вероятность тяжелых поражений в эксплуатационной деятельности дистанций СЦБ [13] без разработки решений по повышению эффективности применяемых зеземлителей.

Вопросам оптимального проектирования заземляющих устройств «не уделялось достаточно внимания» [14] ранее, фактически ситуация не изменилась и сейчас. В настоящее время у проектировщиков существуют трудности с принятием рациональных решений по заземлению устройств автоматики, причина этого в том, что специфика заземляющих устройств СЖАТ изучена недостаточно. Кроме того, суровые климатические условия, значительные по величине сезонные колебания удельных сопротивлений грунтов вызывают серьезные трудности при проектировании, строительстве и монтаже заземления традиционными методами и средствами. В связи с этим существует потребность в определении инструмента, который позволял бы проектировщику СЖАТ создавать адекватные модели для определения сопротивления заземления в различных грунтовых условиях и из множества топологий ЗУ выбирать оптимальную для конкретной станции.

Внедрение новых систем железнодорожной автоматики и телемеханики требует решения вопросов, связанных с устройством заземления, отвечающего современным требованиям, и носит массовый характер. Поэтому задача поиска рациональной конструкции заземляющего устройства для систем ЖАТ, обеспечивающей нормируемые показатели по сопротивлению вне зависимости от сезона, при минимальном объеме затрачиваемого металла (минимальной металлоемкости), обладающей стойкостью к коррозии, является актуальной, но уровень ее проработки недостаточный на данный момент.

Легко заметить, что во всех указ