автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование эксплуатационного контроля заземляющих устройств систем тягового электроснабжения электрифицированных железных дорог

Введение.

1 Обзор теоретических исследований заземляющих устройств, анализ их технического состояния на тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог.

1.1 Обзор публикаций по исследованию заземляющих устройств.

1.2 Анализ технического состояния заземляющих устройств тяговых подстанций.

1.3 Существующие методы определения технического состояния заземляющих устройств.

2 Определение первичных и волновых параметров проводников различной формы.

2.1 Внутренние параметры цилиндрических проводников.

2.2 Внешние и волновые параметры цилиндрических проводников, расположенных в земле.

2.3 Экспериментальные исследования внутреннего сопротивления ферромагнитных проводников различной формы.

3 Расчет распределения токов и потенциалов в элементах заземляющего устройства.

3.1 Расчет распределения токов в элементах эквипотенциального заземляющего устройства.

3.2 Расчет распределения токов и потенциалов в неэквипотенциальном заземляющем устройстве.

4 Распределение параметров электромагнитного .поля на поверхности земли от токов в элементах заземляющего устройства.

4.1 Распределение напряженности магнитного поля на поверхности земли от токов в элементах заземляющего устройства.

4.2 Потенциал поверхности земли от тока, стекающего с элемента заземляющего устройства.

5 Разработка методов и аппаратуры определения технического состояния элементов заземляющего устройства.

5.1 Определение эффективности использования аппаратуры определения технического состояния элементов заземляющего устройства.

Развитие и повышение эффективности работы железнодорожного транспорта требуют бесперебойной работы энергетических систем, обеспечивающих перевозочный процесс, их элементов и оборудования. Заземляющие устройства тяговых подстанций являются одним из важнейших элементов тягового электроснабжения, обеспечивающим как работу системы электроснабжения, так и защиту оборудования тяговой подстанции в случае возникновения режима короткого замыкания. Кроме того, исправное заземляющее устройство обеспечивает безопасное выполнение работ обслуживающим персоналом, нормативные значения шагового напряжения и напряжения прикосновения.

Анализ состояния устройств электроснабжения железнодорожного транспорта за 2000 год, проведенный Департаментом электрификации и электроснабжения МПС РФ, показал, что на 58 % из 1341 находящихся в эксплуатации тяговых подстанций износ основных фондов достигает 70 - 78 %. Наиболее старые заземляющие устройства, сооруженные в период массовой электрификации, находятся в эксплуатации на Московской, Западно-Сибирской, Южно-Уральской железных дорогах.

Средства, выделяемые на обновление устройств электроснабжения, не соответствуют реальному состоянию хозяйства. Поэтому в качестве главного направления технической политики отрасли, определяемого "Стратегией научно-технической политики в новых условиях работы железнодорожного транспорта" и "Концепцией модернизации устройств электроснабжения железных дорог", принятых МПС, является модернизация устройств электроснабжения с минимизацией затрат на ремонт и обновление.

Как правило, заземляющие устройства эксплуатируются в грунтах с неоднородными параметрами, кроме того, блуждающие токи, натекающие на заземляющее устройство, изменяются в широких пределах, создавая значительные разности потенциалов между различными элементами заземлителя, что ведет к коррозионному разрушению отдельных элементов заземлителя. Таким образом, в процессе работы заземляющее устройство подвергается интенсивному коррозионному разрушению, вследствие чего возможен выход из строя отдельных элементов, что может привести к отказу срабатывания защит от коротких замыканий, появлению высокого потенциала на электрооборудовании, пробою изоляции, термическим повреждениям и электротравмам.

Решение задачи предотвращения коррозионных разрушений элементов заземляющего устройства затруднено из-за невозможности объективной оценки их технического состояния. 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.

Целью настоящей диссертационной работы является: теоретическое и экспериментальное обоснование параметров электромагнитного поля, информативных относительно технического состояния элементов заземляющего устройства; разработка методов и устройства определения технического состояния элементов заземляющего устройства.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить первичные (внутренние и внешние) и волновые параметры ферромагнитных конструкционных элементов заземляющего устройства различной формы с учетом токовой и частотной зависимости;

- обосновать методику расчета распределения токов и потенциалов в элементах сложной неэквипотенциальной заземляющей системы с учетом частотной и токовой зависимости внутреннего сопротивления ферромагнитных проводников;

- исследовать распределение параметров электромагнитного поля на поверхности земли от токов в элементах заземляющего устройства;

- разработать методы определения реальной схемы заземляющего устройства с определением трассы прокладки и глубины залегания горизонтальных элементов, мест нахождения вертикальных элементов, повреждений заземляющего устройства и коррозионного состояния его элементов;

- обосновать основные параметры устройства для определения технического состояния элементов заземляющего устройства, разработать необходимые схемы, изготовить опытный образец и провести его испытания;

- определить расчетный экономический эффект от использования разработки.

Методика исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач используются как теоретические, так и экспериментальные методы:

- решения выполнены с применением вектор-потенциальной функции дипольных источников; необходимые вычисления проводились с привлечением численных методов;

- обработка экспериментальных данных выполнялась с привлечением методов теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- предложен метод определения магнитной проницаемости ферромагнитных проводников различной формы с учетом частотной и токовой зависимости и выполнен расчет внутреннего сопротивления ферромагнитных проводников с учетом этой зависимости;

- обоснованы параметры электромагнитного поля, информативные относительно коррозионного состояния элементов заземляющего устройства;

- разработаны методы определения глубины залегания горизонтальных элементов заземляющего устройства, мест расположения, наличия контакта с сеткой и эффективности работы вертикальных элементов.

Практическая значимость и внедрение научных результатов работы заключается в следующем:

- разработан опытный образец аппаратуры для определения технического состояния элементов заземляющих устройств, и проведены его испытания, которые подтвердили достоверность разработанных методов;

- внедрение результатов работы позволит увеличить срок эксплуатации заземляющих устройств, повысить достоверность информации об их техническом состоянии и производительность труда, улучшить условия работы обслуживающего персонала.

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

- на Первой Российской конференции по заземляющим устройствам, Новосибирск, 2002 г.;

- на региональной научно-практической конференции "ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу", Новосибирск, 2002 г.,

- на конференции «Развитие железнодорожного транспорта в условиях реформ», ВНИИЖТ, Москва, 2003 г;

- на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», Екатеринбург, 2003 г.;

- на технических семинарах кафедр ОмГУПС;

- на научно-технических советах отделения «Тяговый подвижной состав и электроснабжение» ВНИИЖТа.

Основные материалы диссертации опубликованы в 10 работах, в том числе 1 авторское свидетельство и 1 патент.

Выводы:

1) Предложенные методы определения технического состояния элементов заземляющего устройства позволяют с поверхности земли определить глубину залегания горизонтальных и места расположения вертикальных элементов, целостность их контакта с сеткой заземляющего устройства и эффективность их работы;

2) внедрение разработанной аппаратуры в эксплуатацию позволит получить экономический эффект не менее 200 тыс. руб. при восстановлении технической документации на одно заземляющее устройство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы сделаны следующие основные выводы.

1 Проведенное обследование действующих заземляющих устройств тяговых подстанций систем тягового электроснабжения показало, что большинство из длительно эксплуатирующихся заземляющих устройств имеют повреждения отдельных элементов различного происхождения.

2 Рекомендованные действующей нормативно-технической документацией методы определения технического состояния заземляющих устройств трудоемки, т. к. основаны, главным образом, на вскрытии грунта, не позволяют определить реальное техническое состояние заземляющего устройства и обеспечить достоверный эксплуатационный контроль.

3 Предложенный метод определения внутреннего сопротивление ферромагнитных проводников различной формы позволяет учесть зависимость относительной магнитной проницаемости цилиндрических ферромагнитных проводников от частоты и величины тока.

4 Разработанная методика расчета распределения измерительного сигнала в элементах заземляющего устройства позволяет определить потенциалы и токи в элементах с учетом нелинейной зависимости магнитной проницаемости и внутренних параметров ферромагнитных проводников от токов в них.

5 На основе анализа составляющих электромагнитного поля, измеренных на поверхности земли, выявлено, что в местах расположения вертикальных элементов заземляющего устройства вертикальная составляющая напряженности магнитного поля стремится к нулю.

6 Разработан метод определения глубины залегания горизонтальных элементов заземляющего устройства с поверхности земли по результатам измерения напряженности магнитного поля в двух точках.

7 Опытный образец аппаратуры определения технического состояния элементов заземляющего устройства, прошедший испытания в полевых условиях, позволяет определить глубину залегания горизонтальных элементов, места расположения вертикальных элементов и целостность их контакта с сеткой.

8 Расчетный экономический эффект от внедрения аппаратуры составляет не менее 200 тыс. руб. при обследовании заземляющего устройства одной тяговой подстанции.

1. Оллендорф Ф. Токи в земле. М., 1932. 214 с.

2. Беляков А. П. Основания для проектирования заземлителей. // Тр. Все-союз. электротехн. ин-та.; Вып. 35 . М., 1938. 140 с.

3. Вайнер А. Л. Заземления. Харьков, 1938. 47 с.

4. Rudenberg Е. Fundamental consideration on ground current // Elec. Eng. -1945. Vol. 64 № 1. P. 1 13.

5. Ослон А. Б. Заземляющие устройства на линиях электропередачи и подстанциях высокого напряжения // Итоги науки и техники ВИНИТИ. Сер. Электрические станции, сети и системы. М., 1966. С. 65 184.

6. Якобе А. И., Алимамедов М. Б. Сезонные коэффициенты заземлителей / Электричество. 1966. - № 12.-е. 15-20.

7. Якобе А. И., Алимамедов М. Б. Сезонные коэффициенты сопротивления сложных заземлителей // Электричество. 1969. № 8. С. 47 51.

8. Бургсдорф В. В. Расчет заземлений в неоднородных грунтах // Электричество. 1954. № 1.С. 15-25.

9. Эбин Л. Е., Якобе А. И. Применение метода наведенных потенциалов при расчете сложных заземлителей в неоднородных грунтах // Электричество. 1964. №9. С. 1 -6.

10. Якобе А. И. Теоретическое обоснование метода наведенного потенциала и его частных случаев // Изв. АН СССР . Сер. Энергетика и транспорт. 1967. №4. С. 46-52.

11. Якобе А. И. О методах расчета сложных заземляющих систем, расположенных в неоднородных средах // Электричество. 1967. № 5.1. С. 24-26.

12. Якобе А. И., Коструба С. И., Живаго В. Т. Расчет сложных заземляющих устройств с помощью ЭЦВМ // Электричество. 1967. № 8.1. С. 21 -27.

13. Корсунцев А. В. Методика расчета сложных заземлителей, основанная на теории подобия // Электрические станции. 1967. № 7. С. 59 63.

14. Воронина А. А. Напряжение прикосновения и потенциал сложных заземлителей в однородной земле // Электричество. 1969. № 7. С. 52-56.

15. Воронина А. А. Сопротивление растеканию сложных заземлителей и напряжение прикосновения сложных заземлителей в двухслойной земле // Электричество. 1969. № 8. С. 43 47.

16. Якобе А. И. Статистический метод расчета сложных заземлителей в неоднородных электрических структурах // Электричество. 1969. № 4.1. С. 49-54.

17. Якобе А. И. Приведение многослойной электрической структуры земли к эквивалентной двухслойной при расчете сложных заземлителей // Электричество. 1970. № 8. С. 19 23.

18. Коструба С. И. Измерение электрических параметров земли и заземляющих устройств. М., 1983. 168 с.

19. Костиков В. У. Метод расчета заземлений в раонох со сложным геоэлектрическим разрезом // Влияние внешних электоромагнитных полей на линии связи: Сб. науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1967.1. Т. 77. С. 71 -80.

20. Ослон А. Б., Делянов А. Г. Расчет заземляющих сеток в многослойном грунте // Электричество. 1971. № 5 С. 23 26.

21. Ослон А. Б., Станкеева И. Н. Применение оптической аналогии к расчету электрических полей в многослойных средах // Электричество. 1977. № 11. С. 77-79.

22. Якобе А. И., Ослон А. Б., Станкеева И. Н. Метод расчета сложных заземлителей в многослойной земле // Электричество. 1981. № 5.1. С. 27-33.

23. Якобе А. И., Мишкин В. М. Расчет сопротивления вертикальных стержневых заземлителей, работающих в многослойной земле // Электричество. 1972. №9. С.89, 90.

24. Якобе А. И., Петров П. И. Об учете продольного сопротивления горизонтальных элементов крупных заземляющих устройств // Электричество. 1974. № i.e. 13-18.

25. Якобе А. И., Конобеева Т. Т. Об учете неэквипотенциальности заземляющих устройств при расчете их электрических параметров // Электричество. 1980. № 1.С. 61,62.

26. Лисинкер Л. Ш., Целебровский Ю. В. Учет неэквипотенциальности заземляющего устройства подстанции при расчете напряжения прикосновения // Электричество. 1978. № 3. С. 85 88.

27. Пучков Г. Г. Математическая модель заземляющего устройства переменного тока // Электричество. 1984. № 3. С. 25 30.

28. Альтшулер Э. Б., Шинаев А. Г. Расчет заземлителей в сложных структурах многолетнемерзлых грунтов. Норильск, 1981. 86 с.

29. Асеев Г. Г. Обеспечение электробезопасности на промышленных комплексах в районах Крайнего Севера. Норильск, 1981. 104 с.

30. Максименко Н. Н. Заземляющие устройства в многолетнемерзлых грунтах. Красноярск, 1979. 303 с.

31. Косарев Б. И., Зельвянский Я. А., Сибиров Ю. Г. Электробезопасность в системе электроснабжения железных дорог. М., 1983. 200 с.

32. Косарев Б. И., Косолапов Г. И. Условия электробезопасности обслуживания рельсового пути при коротком замыкании в тяговой сети 2x25 кВ // Электричество. 1978. № 6. С. 64 68.

33. Косарев Б. И. Частная задача расчета распределения потенциалов в земле при наличии горизонтальных и вертикальных неоднородностей // Сб. тр. Московского ин-та инж. ж.-д. трансп. М., 1978. № 569. С. 23 30.

34. Котельников А. В. Блуждающие токи электрифицированного транспорта. М., 1986. 279 с.

35. Михайлов М. И., Соколов С. А. Заземляющие устройства в установках электросвязи. М., 1971. 199 с.

36. Белоголов А. Б., Смирнов Г. В. Молниезащита объектов связи. М., 1997. 115 с.

37. Гроднев И. И., Курбатов Н. Д. Линии связи. М., 1980. 435 с.

38. Zunde Е. D. Earth Conduction Effects In Transmission Systems. 1949.409 p.

39. Гринберг Г. А., Бонштедт Б. Э. Основы точной теории волнового поля линий электропередачи. 1954. Т. 24. вып. 1. С. 67 95.

40. Михайлов М. И., Разумов Л. Д. Электрические параметры подземных металлических трубопроводов // Электричество. 1963. № 5. С. 60 63

41. Михайлов М. И., Разумов Л. Д., Соколов С. А. Электромагнитные влияния на сооружения связи. М., 1979. 263 с.

42. Срижевский И. В., Дмитриев В. И. Теория и расчет влияния электрифицированной железной дороги на подземные металлические сооружения. М., 1967. 247 с.

43. Шалимов М. Г. Сопротивление бесконечно длинной воздушной линии провод однородная земля при высоте подвеса, равной нулю // Энергосбережение электрических железных дорог: Сб. науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1969. Т. 104. С. 19-24.

44. Карякин Р. Н. Заземляющие устройства электроустановок М., 2000. 373 с.

45. Карякин Р. Н. Нормы устройства сетей заземления М., 2002. 238 с.

46. Кац Е. Л. Заземляющие устройства электроустановок высокого и низкого напряжения/ Е. JI. Кац, Б. Г. Меньшов, Ю. В. Целебровекий . М., / Сер. «Электрические станции и сети» (Итого науки и техники) ВИНИТИ. 1989. Т.15. С. 1 160.

47. Бурсиан В. Р. Теория электромагнитных полей, применяемых в электроразведке. JL, 1972. 367 с.

48. Шалимов М. Г. Вектор-потенциальная функция бесконечно длинной воздушной линии провод однородная земля // Энергоснабжение электрических железных дорог: Сб. науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1969. Т. 104. Ч. 1.С.З- 10.

49. Инструкция по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных дорогах ЦЭ-191 от 10.06.93. М., 1993. 68 с.

50. Дынькин Б. Е., Исянов С. Р., Чикаров Ю. А. Диагностика контуров заземления действующих электроустановок /Первая Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов/ Под. ред. Ю. В. Целебровского Новосибирск. - 2002. С. 165-171.

51. Ватсон Г. Н. Теория Бесселевых функций. Т. 1,2. М., 1949.

52. Носова JL Н. Таблицы функций Томпсона и их первых производных. М., 1960. 422 с.

53. Заборовский А. И. Электроразведка. М., 1963. 423 с.

54. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М., 1963. 1100 с.

55. Нейман JI. Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. М., 1949

56. Кифер И. И. Испытания ферромагнитных материалов. М., 1969.369 с.

57. Фремке А. В. Электрические измерения. М., 1963. 323 с. .

58. Кузнецов И. Ф. Измерение электрических параметров стальных многопроволочных проводов больших сечений // Известия ВУЗов., сер. Энергетика. 1963. №9. С.

59. Кандаев В. А., Котельников А. В., Свешникова Н. 10. Собственные параметры элементов контура заземления // Первая Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов/ Сибирская энергетическая академия. Новосибирск, 2002. С. 51 58.

60. Свешникова Н. Ю., Котельников А. В., Кандаев В. А. Экспериментальные исследования сопротивления элементов контура заземления различной формы // Вестник ВНИИЖТа, 2003. № 4. С. 38 41.

61. Заявка 2003125001. МКИ G 01 R 33/12 Способ определения магнитной проницаемости цилиндрических ферромагнитных проводников/ В. А. Кандаев, Н. Ю. Свешникова, А. В. Кандаев.

62. Демидович Б. П., Марон И. А., Численные методы анализа. М., 1962. 629 с.

63. Мелентьев П. В. Приближенные вычисления. М., 1962. 388с.

64. Смирнов Н. В., Дунин-Барковский И. В. Курс теории вероятности и математической статистики для технических приложений. М., 1965. 511 С.

65. ГОСТ 8509-93. Уголки стальные горячекатаные равноплечные // Сортамент. М., 1993. 10 с.

66. ГОСТ 5781-76. Полоса стальная горячекатаная // Сортамент. М., 1976. Юс.

67. Бургсдорф В. В., Якобе А. И. Заземляющие устройства электроустановок. М., 1989. 400 с.

68. Нестеров С. В. Расчет протяженного неэквипотенциального заземлителя с использованием интегральных уравнений // Электроэнергетика: Сборник науч. Трудов / Новосибирский гос. техн. ун-т. Новосибирск 2000. С. 104-113.

69. Кандаев В. А. Совершенствование эксплуатационного контроля коррозионного состояния подземных сооружений систем электроснабжения железнодорожного транспорта. Омск., 2003. 226 с.

70. Патент 2222816, Россия, МКИ G01R27/20. Способ определения глубины залегания элементов контура заземления / В. А. Кандаев, Н. Ю. Свешникова, А. В. Кандаев. БИ № 3 2004.

71. Заявка 2003109022, МКИ G01R27/20. Способ определения глубины залегания элементов заземляющего устройства/ В. А. Кандаев, Н. Ю. Свешникова, А. В. Кандаев.

72. Заявка 2002115579/09(016327), МКИ G01R27/20. Способ определения наличия вертикальных элементов контура заземления / В. А. Кандаев, Н. Ю. Свешникова, А. В. Кандаев.

73. Патент 32284, Россия, МКИ G01R27/20. Устройство для определения наличия контакта вертикального элемента с сеткой заземляющего устройства/ В. А. Кандаев, Н. Ю. Свешникова, А. В. Кандаев.

74. Заявка 2002115555/09(016303), МКИ G01R27/20. Способ диагностики целостности контакта вертикального элемента с контуром заземления / В. А. Кандаев, Н. Ю. Свешникова, А. В. Кандаев.

75. А. с. 21667, МКИ3 G01R 27/20. Устройство для диагностики целостности элементов контура заземления. В. А. Кандаев, Н. Ю. Свешникова.

76. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. Утверждено: Госстрой России, Министерство Финансов РФ, Госкомпром России № 7-12/47 31 марта 1994 г. 80 с.

77. Типовые нормы времени на текущий ремонт оборудования и устройств тяговых подстанций и постов секционирования электрифицированных железных дорог. Гл. упр. электрификации и энергетического хозяйства. МПС, 1988.

78. Меерсон А. М. Радиоизмерительная техника. М. Л., 1967., 400 с.

79. Терещин А. И., Софронов В. А. Справочник по эксплуатации радиоизмерительных приборов. Киев., 1973., 499 с.• • •f