автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование методов и технических средств определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока

СЫРЕЦКАЯ Анастасия Олеговна

На правах рукописи

¿ш

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степеии кандидата технических наук

6 ИЮН 2013

00506О»|^

ОМСК 2013

005060913

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор КАНДАЕВ Василий Андреевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КОТЕЛЬНИКОВ Александр Владимирович

главный научный сотрудник отделения «Электрификация и энергоснабжение железных дорог», ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» («ВНИИЖТ»);

доктор технических наук, профессор ДЕМИН Юрий Васильевич'

профессор кафедры «Электрооборудование и автоматика», ФГБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (НГАВТ).

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)».

Защита диссертации состоится 21 июня 2013 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 20 мая 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

О. А. Сидоров.

© Омский гос. университет путей сообщения, 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Железнодорожный транспорт - одна из крупнейших отраслей народного хозяйства Российской Федерации. На долю железных дорог приходится 84 % от общего объема грузоперевозок на территории страны. В настоящее время около 50 % железнодорожного пути является электрифицированным, а количество тяговых подстанций превышает 1,4 тыс. Выход из строя оборудования тяговой подстанции приводит к крупным экономическим затратам, как к прямым, связанным с его заменой, так и к косвенным, включающим в себя простой и задержку поездов.

■ Заземляющие устройства (ЗУ) тяговых подстанций (ТП) являются важным звеном в системе тягового электроснабжения, выполняющим защитные и рабочие функции. Исправное ЗУ обеспечивает защиту и безопасное обслуживание электротехнического оборудования на территории подстанции в случае возникновения аварийного режима. В нормальном режиме работы тяговой подстанции постоянного тока через цепь «ЗУ - дренажная установка - минус источника» частично замыкается обратный тяговый ток.

Параметры заземляющих устройств под воздействием большого количества факторов непрерывно изменяются, что с течением времени приводит к коррозионным разрушениям отдельных элементов заземляющих устройств и увеличению сопротивления растеканию ЗУ.

Важнейшим показателем технического состояния заземляющего устройства в соответствии с действующей нормативно-технической документацией является его сопротивление, величина которого складывается из продольного сопротивления элементов ЗУ, сопротивления грунта в зоне растекания тока (сопротивления растеканию) и сопротивления границы раздела «металл - фунт», зависящего от плотности стекающего (натекающего) на элемент ЗУ тока. Рекомендованные нормативной документацией приборы реализуют различные методики измерения и имеют различные параметры измерительных сигналов, поэтому определенные ими значения сопротивления заземляющего устройства отличаются друг от друга. Необходимо также учесть, что в нормальном режиме работы ЗУ ТП через него замыкается часть тягового тока, превышающая величину измерительного тока в несколько десятков раз. Поскольку существующие методы и приборы не обеспечивают достаточную точность в определении сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций, совершенствование методов и раз-

3

работка аппаратуры, позволяющих повысить точность определения сопротивления ЗУ ТП, является эффективным способом повышения безаварийности работы оборудования системы электроснабжения железнодорожного транспорта.

В соответствии со «Стратегией развития железнодорожного транспорта России до 2030 года» задача по разработке и внедрению новых систем комплексного диагностирования и мониторинга объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта является весьма актуальной.

Цель диссертационной работы - совершенствование методов и технических средств определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока для повышения эффективности их эксплуатационного контроля.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Усовершенствовать математическую модель ЗУ тяговых подстанций с учетом токовой зависимости сопротивления границы раздела «металл-грунт».

2. Усовершенствовать методы определения сопротивления ЗУ тяговых подстанций с учетом сопротивления границы раздела «металл-грунт» и метод настройки дренажной защиты ЗУ ТП.

3. Разработать метод определения продольных параметров элементов заземляющих устройств ТП в переходном режиме.

4. Разработать устройство для определения сопротивления заземляющих устройств и настройки дренажной защиты ЗУ тяговых подстанций постоянного тока электрифицированных железных дорог.

Методы исследования. При исследовании применялись теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования выполнены с использованием фундаментальных положений теоретических основ электротехники и электрохимии, математического моделирования на ПК с применением математического пакета MathCAD и средств статистической обработки массивов данных программы MS Excel. Обработка экспериментальных данных выполнялась с привлечением методов математической статистики и регрессионного анализа. Разработка принципиальных схем проводилась с использованием пакета P-Cad 2006.

Научная новизна работы состоит в том, что усовершенствованы:

математическая модель заземляющего устройства ТП с учетом токовой зависимости сопротивления границы раздела «металл - грунт»;

методы определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока, позволяющие учесть токовую зависимость сопротивления границы раздела «металл - грунт»;

метод настройки дренажной защиты ЗУ тяговых подстанций. Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 15 %. Практическая ценность диссертации заключается в следующем: разработанный метод определения сопротивления заземляющих устройств позволяет установить значения сопротивления растеканию заземляющих устройств тяговых подстанций и сопротивления границы раздела «металл - грунт»;

предложенный метод экспериментального определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока позволяет установить сопротивление ЗУ в широком диапазоне измерительных токов;

предложенный метод определения добавочного сопротивления дренажной установки позволит существенно сократить трудовые затраты на выполнение настройки дренажной защиты заземляющих устройств тяговых подстанций;

предложено устройство для определения сопротивления ЗУ и настройки дренажной защиты ЗУ тяговых подстанций постоянного тока. Научные положения, выносимые на защиту:

усовершенствованная математическая модель заземляющего устройства тяговой подстанции с учетом сопротивления границы раздела «металл - грунт»; разработанный метод определения продольных параметров элементов ЗУ

ТП в переходном режиме;

усовершенствованные методы определения сопротивления ЗУ ТП с учетом сопротивления границы раздела «металл - грунт»;

усовершенствованный метод настройки дренажной защиты. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены: на региональной молодежной научно-технической конференции «Омское время - взгляд в будущее» (Омск, 2009); на открытом межрегиональном конкурсе инновационных проектов по энергоресурсосбережению (Новосибирск, 2009); на II всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (Омск, 2009, 2010); на международной научно-технической конференции «Инновации

для транспорта» (Омск, 2010); на II региональной молодежной научно-технической конференции «Омский регион - месторождение возможностей» (Омск, 2011); на всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие железнодорожного транспорта России» (Омск, 2012); на технических семинарах кафедр ОмГУПСа.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе - десять статей, три из которых - в изданиях, входящих в перечень, утвержденный ВАК РФ; один патент на изобретение, один патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 117 наименований и четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 120 страниц, включая 16 таблиц и 40 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается состояние проблемы, обосновывается ее актуальность, формулируются задачи исследованиями намечаются пути их решения.

В первом разделе выполнен анализ работ в области исследования параметров заземляющих устройств.

Значительный вклад в исследование собственных и взаимных параметров элементов заземляющих устройств и в усовершенствование методов расчета внесли ученые Беляков А. П., Бургсдорф В. В., Вайнер А., Воронина А. А., Демин Ю. В., Живаго В. Т., Кандаев В. А., Колечицкий Е. С., Корсунцев А. В., Косарев Б. И., Коструба С. И., Котельников А. В., Ослон А. Б., Пучков Г. Г., Рюденберг Л. Р., Целебровский Ю. В., Эбин Л. Е., Якобе А. И. и др.

Работы таких ученых, как Глазов Н. П., Даниляк Б. М., Стрижевский И. В., Тарнижевский М. В., Тозони О. В., Финкельштейн Э. Б. посвящены исследованию нелинейных процессов на границе раздела «металл - грунт».

В результате проведенного анализа методов определения сопротивления заземляющих устройств установлено, что рекомендованные нормативно-технической документацией методы и технические средства имеют невысокую точность и не позволяют обеспечить надежный эксплуатационный контроль ЗУ тяговых подстанций. В связи с тем, что тема исследования разработана недостаточно, выявлена необходимость совершенствования методов и технических средств, позволяющих определить сопротивление заземляющих устройств тяговых подстанций при различных режимах работы и величине тока.

Второй раздел посвящен определению электрических параметров элементов ЗУ, в рамках которого выполнен анализ электрохимических процессов на границе раздела «металл - электролит». На основе аналитических зависимостей, отражающих связь перенапряжения на границе раздела «металл - электролит» с плотностью тока, полученных Тафелем, Фрумкиным, Скорчелетти, Томашовым, Дамаскиным, Петрием, уточнены механизм катодного процесса на металлическом сооружении в грунте и схема замещения одиночного заземлите-ля в грунте, которая приведена на рис. 1 а. Граница раздела в предложенной схеме представлена нелинейным сопротивлением Rrp и емкостью Сгр. Для учета поляризации элемента заземлителя в схему замещения введена э.д.с. Е„.

Для упрощения схемы замещения элемента ЗУ при работе на постоянном токе из нее были исключены реактивные элементы Ьэл, Сгр и продольное сопротивление

R-эл (рис. 1 б).

Для определения элемента ЗУ были проведены полевые измерения на постоянном токе (рис. 2) и в переходном режиме.

Рис. 1. Схема замещения элемента ЗУ

В качестве элемента ЗУ использовалась

стальная шина с размерами 50*4*5000 мм, расположенная в глинистом грунте на глубине 0,7 м. При измерении на постоянном токе сопротивление границы раздела «металл - грунт» Rip рассчитывалось по формуле:

Элемент ЗУ

б)

RL =-

-C-R.

(О

где ф'зу - установившийся потен циал элемента ЗУ при стекании тока Г1у, В; сря - стационарный

потенциал элемента ЗУ, В; Г]у -ток, стекающий с элемента ЗУ, А; Ярзст - сопротивление растеканию элемента, Ом.

V//////////

К-1

'//////////////////У/У///'

Рис. 2.Схема определения токовой зависимости сопротивления заземлителя: 1 - элемент ЗУ; 2 -источник питания; 3 - переменное сопротивление; 4 - шунт; 5,6- вольтметры постоянного тока; 7 -электрод сравнения, 8-токовый электрод

По результатам измерений получена токовая зависимость сопротивления

элемента ЗУ (рис. 3).

При измерениях в переходном режиме (рис. 4) к элементу ЗУ через электронный ключ подключалась аккумуляторная батарея. Согласно законам ком-

7

мутации, при срабатывании ключа емкостное сопротивление границы раздела. Хс -> 0 и шунтирует сопротивление

Ягр. Ток в цепи и напряжение на за-землителе регистрировались осциллографом. На основании полученных осциллограмм (рис. 5) были рассчитаны значения сопротивления растеканию, сопротивления границы раздела «металл - грунт» и полное сопротивление заземлитёля: |и,-Цо[.

0,6

0,8

А/м! 1,4

Рис. 3. Токовая зависимость сопротивления одиночного горизонтального заземлитедя

К-Т

(2)

77.

77777777777.

№-4,1.

і,

(зу

6 5

'777///7/7/7/77////77/

77~/

-Я.

Рис. 4. Схема определения составляющих со-(4) противления заземлителя в переходном ре-

где I, - момент прекращения резкого ЖИМе: 1 - заземлитель; 2 -электрод сравнения;

3 - токовый электрод; 4 - источник питания; 5 - электронный ключ; 6 -шунт;

роста потенциала элемента ЗУ, мс;

І2 - момент достижения потенциалом

7 -запоминающий осциллограф

элемента ЗУ постоянного значения, с; 1| - значение тока в момент времени ^ А; Ь - значение тока в момент времени 12, А; и0- стационарный потенциал элемента ЗУ, В; и: - значение потенциала элемента ЗУ в момент времени 1], В; и2 -установившееся значение потенциала элемента ЗУ, В.

! 1 і

і 1

! [

1,1 ■ І ....... Д;„

І ! 1

45 Ом

353025 2015-Я 105 0

1 : ......- — .;.-------

............Г- - ' —

.....- — -................

.............- - -— -

Рис. 5. Осциллограммы напряжения и тока на элементе ЗУ при переходном процессе

0,4 1 —

Рис. 6. Токовые зависимости составляющих сопротивления элемента ЗУ

Результаты измерений показывают, что сопротивление границы раздела «металл - грунт» элемента ЗУ нелинейно зависит от тока (рис. 6), значения сопротивления растеканию элемента ЗУ, полученные на постоянном токе и в переходном режиме, отличаются на 5%.

Для определения продольных электрических параметров элементов ЗУ были выполнены экспериментальные исследования продольного сопротивления гэл и модуля магнитной проницаемости цэл стальных элементов круглого, прямоугольного и уголкового профилей в переходном режиме. Сопротивление элементов определялось делением напряжения на ток с переводом сигналов в частотную область, модуль магнитной проницаемости рассчитывался из трансцендентного выражения:

[^Г-г.оГЦд.оУ (5)

где ч. »^/р.я.^.ц.а; г - радиус проводника, м; а - удельная проводимость, См/м; $ - частота і-й гармоники, Гц; ц - абсолютная магнитная проницаемость; Іо(Ч.г), і,(Чіг) - модифицированные функции Бесселя 1-го рода.

Результаты расчетов модулей сопротивления и магнитной проницаемости стального прутка диаметром 6 мм приведены на рис. 7 и 8.

И

\

\ 141?. 1

- ІСІ00 1500 2000 2500 X 35Й0

1

Рис. 8. Модуль относительной магнитной проницаемости стальных элементов ЗУ от тока: 1' -Рис. 7. Модуль сопротивления стальных эле- «« и жешые значения на частоте

ментов ЗУ от тока на частотах 1 - 0 I ц ^ частоте , 600 Гц

790 Гц; 3 - 7900 Гц; 4 - 15800; 5 - 31600 Гц /уи і ц, а ^

Для приближенного расчета относительной магнитной проницаемости было принято, что для больших значений Чіг можно считать 1„(я,г) »1,(4,0. Наибольшее расхождение приближенного и точного значений модуля относительной магнитной проницаемости наблюдается для стального прутка и при токах более 1 кА превышает 100 %, для остальных проводников расхождение незначительно и составляет 2 - 8 %. Такое явлейие можно объяснить различием марок стали, из которых выполнены проводники, и малым значением Чіг.

Значения модуля магнитной проницаемости для всех проводников максимально на токах 200 - 500 А и составляет 20 для прутка, 60 для шины и 95 для уголка, тогда как значение модуля относительной магнитной проницаемости для конструкционной стали достигает при синусоидальном токе порядка 1 500.

Выполненные исследования продольных параметров элементов ЗУ позволили определить, что допущение 10(я,г) »I, при вычислении относительной магнитной проницаемости не применимо для проводников с малым поперечным сечением, кроме того, необходимо учитывать отличие относительной магнитной проницаемости и внутреннего сопротивления стальных проводников в импульсном режиме от параметров, определенных при синусоидальном токе.

Результаты проведенных экспериментов согласуются с предложенными схемами замещения, подтверждают нелинейную токовую зависимость сопротивления заземляющего устройства и необходимость ее учета.

В третьем разделе представлена усовершенствованная математическая модель заземляющего устройства, дополненная падением напряжения на сопротивлении границы раздела «металл - грунт» Д<рф1 Ц):

[фГ'=АФ(рД)+:£ТЛ; 1 (6) [Ф, =2,г;с|,

где а,;, а у - собственные и взаимные поперечные сопротивления элементов, Ом; Z¡ - продольные сопротивления элементов, Ом; ф,(с' - потенциал в середине ¡-го элемента заземляющего устройства, В; ¡р, - градиент потенциала вдоль ¡-го элемента, В/м; Г,, I/ - ток, стекающий с ]-го элемента, и продольный ток в его середине, А.

В соответствии с предложенной математической моделью (6) был усовершенствован и реализован в программе существующий алгоритм расчета ЗУ, на основании которого был выполнен анализ работы реального ЗУ тяговой подстанции. Сопротивление границы раздела элемента ЗУ было задано в виде кусочно-непрерывной функции вида:

Я = 2КТ пои Цщ |<'ЛЕ. где р ~~ постоянная Фарадея,

гр О ^ | ™ПЧ р '

° Кл/моль; Я - универсальная газовая | ^ постоянная, Дж/моль-К; Т - абсо-

КгР(0 =-2---приф„,<срМ:; лютная температура, К; ¡0 - плот-

2кт ( | ность тока обмена кислорода (¡0°)

■*,„(!) = Р при ч>„ хрн,, или водорода (¡0Н), А/м2; ^ - диф-

фузионная плотность тока, А/м2; Фн, - потенциал заземлителя, при котором становится возможным восстановление водорода, В.

Произведен анализ влияния параметров границы раздела «металл - грунт»

на сопротивление заземляющих устройств тяговых подстанций, выполнен расчет токовых зависимостей сопротивления заземляющего устройства тяговой подстанции при изменении температуры границы раздела (таблица), ее рН (рис. 9, а, б) и концентрации кислорода в приграничном слое грунта (рис. 10).

0,4ц---п----г..... ' -----------Г 1.5 --------------

Ом

I"

Я1.2 1.1

\

1 ;

Л

100

200

50

100

200

Рис. 9. Токовые зависимости сопротивления ЗУ при рН = 10 (сплошная) и 6 (пунктирная):

а - при удельном сопротивлении грунта р = 10 Ом м; б - при р = 100 Ом-м Сопротивление ЗУ при температуре границы раздела 5 и 15 "С

I, А Язу, Ом Е

при 1=5°С при1=15'С

0,1 0,76 0,76 0,01

0,5 0,83 0,84 0,48

1 0,86 0,87 0,58

2 1,00 1,02 1,75

3 0,91 0,92 0,48

4 0,86 0,86 0,26

5 0,83 0,84 0,43

10 0,79 0,79 0,29

20 0,72 0,72 0,21

50 0,68 0,68 0,27

100 0,66 0,66 0,23

200 0,65 0,66 0,75

Рис. 10. Токовые зависимости сопротивления заземляющего^ устройства для концентрации кислорода на границе раздела 0,6 моль/м3 (сплошная) и 2 моль/м3 (пунктирная)

Установлено, что сопротивление ЗУ ТП слабо зависит от рН и температуры границы раздела «металл-грунт» для положительных значений температур. При малых плотностях тока на сопротивление заземляющего устройства оказывает влияние концентрация кислорода в грунте, определяемая влажностью и пористостью грунта.

В четвертом разделе предложены методы определения сопротивления заземляющих устройств ТП и метод настройки дренажной защиты.

Для определения составляющих сопротивления ЗУ предложено подавать на заземляющее устройство напряжение и регистрировать ток и напряжение на нем в момент коммутации и по достижению равновесного потенциала (рис. 11).

Сопротивления растеканию ЯЗУраст, заземляющего устройства ГЦУ „ш„ и границы раздела «металл - грунт» Кфопределяют по формулам:

11

(8) (9)

|и,-и0| /0. где (<), ^ - моменты начала и окончания об---. (о)

ласти линейного роста потенциала ЗУ, мс; 12 — момент окончания переходного процесса, с; 1| — значение тока в момент времени ^ (10) А; Ь — установившееся значение тока, А; 11о — стационарный потенциал ЗУ, В; 11; - значение напряжения в момент времени ^ В; - установившееся значение напряжения в момент времени В.

Предложен способ определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций. В качестве измерительного тока была использована часть тягового тока, замыкающаяся на минус источника через дренажную цепь (рис. 12).

^Ф ^ЗУ полн ^ЗУраст»

¡г 1,мс ьи, 1,мс

Рис.11. Осциллограммы тока и напряжения на заземляющем устройстве К шунту 6 дренажной установки подключается вольтметр постоянного У2, вольтметр VI подключается между заземляющим устройством 2 и электродом сравнения 1, отнесенным в «точку нулевого потенциала». К вольтметрам VI и У2 подключено автоматическое записывающее устройство с синхронной записью напряжения на входах. После измерения напряжений иш и из с помощью вольтметров У2 и VI соответственно искомое сопротивление заземляющего устройства рассчитывается по формуле:

R„ =

и,,-К и.,.,

(И)

Учитывая, что измерительный ток в заземляющем устройстве является случайной величиной, измерения производятся многократно, полученные

Рис. 12. Схема измерения: 1 -электрод сравнения, 2 массивы обрабатываются стати- _ зу> 3 _ минус ИСТ0ЧНИка, 4 - дренажная установ-

стическими методами с получе- ка, 5 - точка подключения к путевому дроссель-нием коэффициентов регрессион- трансформатору, VI и V2 - вольтметры постоянно-

т т го тока, 6 - шунт дренажной установки Кш,

ной зависимости R3y = f(I). 7 - добавочное сопротивление Ra, 8 - диод

С помощью предложенного метода можно определить, в каком диапазоне

токов значение сопротивления ЗУ ТП соответствует требованиям нормативной документации.

Выполнено экспериментальное исследование токовой зависимости сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока Западно-Сибирской железной дороги.

Значения критерия хи-квадрат для измерений по всем подстанциям больше принятого уровня значимости а = 0,05. Гистограммы частот распределения токов для заземляющих устройств ТП приведены на рис.13.

15 20 25

Рис. 13. Диаграммы распределения токов в за- 14 Экспериментальные

значения со-

земляющих устройствах тяговых подстанций противлений зу тп Входная (а)> фадин0 Входная (а), Фадино (б) и Кормиловская (в) (б) и Кормиловская (в)

Для изучения связи между величиной сопротивления ЗУ и натекающим на него током был применен метод регрессионно-корреляционного анализа.

Опытные данные, полученные на каждой из тяговых подстанций, были

описаны гиперболической регрессионной моделью вида Я(1) = а0 + . Согласно

критерию Фишера предложенные модели (рис. 14) адекватно описывают зависимость 11зу(1), средняя ошибка аппроксимации составляет менее 13 %.

При сопоставлении полученной регрессионной модели (12) с результатами расчета на основе математической модели (7) выявлено, что характер расчетной и экспериментальной зависимостей сопротивления заземляющего устройства от тока совпадает в диапазоне 3 - 200 А.

Расхождение результатов расчета сопротивления заземляющего устройства тяговой подстанции с использованием математической модели (7) и экспериментальных данных не превышает 15 %.

Использование данного метода позволяет определять сопротивление заземляющего устройства на значительном токе, а также уменьшить влияние помех и случайных процессов за счет применения статистических методов обработки результатов измерений, снизить временные, трудовые и финансовые затраты на измерение сопротивления заземляющего устройства тяговой подстанции постоянного тока.

Предложен способ настройки дренажной защиты заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока посредством многократных измерений потенциала ЗУ фзу, напряжения на шунте дренажной установки иш и тока подстанции I по схеме, приведенной на рис. 12. По результатам измерений получают статистически значимые значения измеряемых величин для трех потенциалов ЗУ: Фзу"= - 1 В; ср3у и <р3у' - произвольных, не равных <рзу", на основании которых рассчитывают величину добавочного сопротивления по формуле:

Л. = К О" - С + + О - С (!-',„ )(И„" + Я, + Л. р^).' (13)

где Ядр - сопротивление дренажной цепи, Ом; II,, р.3 - переходное сопротивле-

~ „ 1„(1'-Р(*зу + К.)■-!■.'(!■-1 .Дкзу' + . о к -ние «рельс-земля», Ом, Я„ =-1 '(I I.) I (Г I ') ' '

К. н - значения сопротивления ЗУ, соответствующие потенциалам (рЗУ, срзу', Фзу", Ом; I, Г, I" - значения токов подстанции, А; 1ш, Гш> Гш - значения токов в ЗУ, А. Величиной сопротивления дренажной цепи Ялр пренебрегают или принимают Ялр равным 0,1 Ом.

Предложенная методика позволит существенно сократить трудовые затраты на выполнение настройки дренажной защиты ТП за счет автоматизации процессов измерения, построений и расчета добавочного сопротивления.

14

Предложено устройство для определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока, позволяющее автоматизирование определять сопротивление ЗУ и добавочное сопротивление дренажной защиты без применения источников высокой мощности, что значительно снижает затраты и повышает эффективность эксплуатационного контроля обратной тяговой сети подстанции постоянного тока.

Устройство состоит из измерителя напряжения, датчика тока, согласующего устройства, обеспечивающего усиление сигнала, и согласование его уровней, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера,

Рис. 15. Алгоритм программы микроконтроллера

блоков индикации, клавиатуры, памяти и передачи данных и блока питания.

Разработаны структурные и принципиальные схемы аналоговой и цифровой частей устройства, алгоритм программной части (рис. 15).

В пятом разделе выполнен расчет показателей экономической эффективности внедрения устройства для определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока. При расчете на 10 лет чистый дисконтированный доход от внедрения должен составить 276,42 тыс. руб., срок окупаемости с учетом дисконта - 1,6 года при обслуживании 20 тяговых подстанций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Определены продольные параметры элемента заземляющего устройства тяговой подстанции в переходном режиме. Установлено, что наличие постоянной составляющей в измерительном сигнале оказывает влияние на магнитную проницаемость и продольное сопротивление элемента ЗУ.

2. Усовершенствована математическая модель ЗУ ТП с учетом токовой зависимости сопротивления границы раздела «металл - грунт». Расхождение результатов расчета сопротивления заземляющего устройства тяговой подстанции с использованием разработанной модели и экспериментальных данных не превышает 15%.

3. Предложены методы, позволяющие определять величину сопротивле-

15

ния заземляющих устройств тяговых подстанций и его составляющих с учетом сопротивления «металл — грунт», и метод настройки дренажной защиты.

4. Предложено устройство для определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока. Экономический эффект от внедрения устройства должен составить 276,42 тыс. руб. при обслуживании 20 тяговых подстанций.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Кандаев, В. А. Методика расчета заземляющего устройства с учетом сопротивления границы раздела «металл - грунт» / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А. О. Сырецкая //Известия Транссиба. - 2012.-№ 2. - С. 69.

2. Кандаев, В. А. Определение поляризационных параметров заземляющих устройств / В. А. Кандаев, ]В. А. Мухин, А. О. Сырецкая //Известия Транссиба. - 2012. - №3. - С. 65.

3. Сырецкая, А. О. Экспериментальные исследования электромагнитных помех на тяговых подстанциях / А. О. Сырецкая, Н. К. Слептерева, К. С Зуб //Известия Транссиба. - 2013.-№1. - С. 64.

4. Авдеева, К. В. Аппаратура для определения технического состояния заземляющих устройств / К. В. Авдеева, А. О. Иванова//Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: Материалы II всерос. молодежной науч.-техн. конф. / ОмГТУ, Омск. - 2009. - Кн. 1. - С. 140.

5. Кандаев, В. А. Экспериментальные исследования параметров заземляющего устройства тяговой подстанции / В. А. Кандаев, А. О. Сырецкая и др. // «Инновации для транспорта»: Сб. науч. ст. с междунар. участием./ ОмГУПС, Омск.-2010.-Часть 1.-С. 146.

6. Кандаев, В. А. Определение магнитной проницаемости элементов заземляющего устройства в импульсном режиме / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А. О. Сырецкая // Сб. науч. тр. Российской академии естественных наук. //Сибирский научный вестник, Новосибирск. — 2010. - Вып. 13. - С. 276.

7. Кандаев, В. А. Программа для определения импульсных характеристик заземляющего устройства / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А.О. Сырецкая // Омское время - взгляд в будущее: Материалы регион, молодежной науч.-техн. конф. / ОмГТУ, Омск. - 2010. - Кн. 2. - С. 138.

8. Кандаев, В. А. Программно-аппаратный комплекс определения импульсных характеристик заземляющего устройства / В. А. Кандаев, К. В.

16

Авдеева, А. О. Сырецкая //Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: Материалы III всерос. молодежной науч.-техн. конф. / ОмГТУ, Омск, - 2010. - Кн. 2,- С. 3.

9. Зуб, К. С. Программно-аппаратный комплекс определения технического состояния подземных сооружений / К. С. Зуб, А. О. Сырецкая // Материалы II региональной молодежной науч.-техн. конф. «Омский регион - месторождение возможностей» / ОмГТУ, Омск. - 2011. - С. 383.

10. Кандаев, В. А. Определение сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока/В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А. О. Сырецкая // Инновационное развитие железнодорожного транспорта России: Материалы регион, науч.-техн. конф. / ОмГУПС, Омск. - 2012. - С. 109.

11. Пат. 2423717 Российская Федерация, МПК7 в 01 Я 33/16. Способ определения магнитной проницаемости цилиндрических ферромагнитных проводников [текст] / Кандаев В. А., Авдеева К. В., Сырецкая А. О.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Омский гос. ун-т путей сообщения». -№ 2010108013; заявл. 04.03.10; опубл. 10.07.11, Бюл. № 19. -6 е.: ил.

12. Пат. 95857 Российская Федерация, МПК7 О 01 Я 31/00. Аппаратура для определения технического состояния заземляющего устройства [Текст] / Кандаев В. А., Авдеева К. В., Сырецкая А. О.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Омский гос. ун-т путей сообщения». - № 2010108000/22; заявл. 04.03.10; опубл. 10.07.10, Бюл. № 19.-2 е.: ил.

Типография ОмГУПСа. 2013. Тираж 100 экз. Заказ 257. 644046, г. Омск. пр. Маркса, 35

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное а\ ентство железнодорожного транспорта Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный универсшет путей сообщения»

(Ом ГУ ПС (ОмИИ I))

На правах рукоп

0*201360?9Я

СЫРЩКАЯ АНАСТАСИЯ ОЛЕГОВНА

ст

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.22.07-«Подвижной состав железных доро1, 1яга поездов и электрификация»

Диссер1ация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В. А. Кандаев

ОМСК 2013

СОДЕРЖАНИЪ

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

1 Анализ мею/юв определения сопрошвления заземляющего усфойс1ва9

1.1 Обзор публикаций по исследованию заземляющих усгройсп?............................9

1.2 Анализ меюдов определения сопрошвления заземляющих усгройсп?............19

2 Определение параметров элемента заземляющею усфойсгва.............................22

2.1 Определение поперечных парамефов элемента заземляющего устройс1ва....22

2.1.1 Физические процессы, происходящие на границе раздела «металл-элек фолит».............................................................................................................22

2.1.2 Определение электрических парамефов границы раздела «металл-грунт» .29

2.1.3 Экспериментальные исследования сопрошвления элемент ЗУ...............36

2.2 Определение продольных парамефов элемента заземляющего усфойс1ва....43

3 Определение электрических параметров заземляющих устройств......................52

3.1 Матемашческая модель заземляющею усчройсша с учетом юковой зависимости сопрошвления границы раздела «металл-1 рун 1»...............................52

3.2 Расчет юковой зависимоеш сопротивления заземляющего устройства гяговой подстанции..................................................................................................................55

3.3 Зависимость электрических параметров заземляющих устройств от свойств грунта..........................................................................................................................58

4 Разработка меюдов и технических средспз определения сопрошвления заземляющего устройства...........................................................................................65

4.1 Разработка методов определения сопротивления заземляющего усфойства. 65

4.2 Разработка мс I ода нас I ройки дренажной защи I ы........................................75

4.3 Разработка технических средств определения сопротивления заземляющих устройств и насфойки дренажной защипл 1ятовых подстанций носюянною юка ....................................................................................................................................82

5 Технико-экономическая эффективность устройства для определения сопротивления заземляющих устройств и настройки дренажной защиты...........89

5.1 Определение затрат на изгоювление ус 1ройс1ва ............... ...................... 90

5.2 Определение зафаг на опрецсление сопротивления заземляющею устройства

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный 1ранспор1 ~ одна из крупнейших отраслей народною хозяйспш Российской Федерации. На долю железных доро! приходится 84% 01 общего объема грузоперевозок на 1ерригории с фаны. В настоящее время около 50 % железнодорожного пуш являе1ся элекфифицированным, а количество тяговых подстанций превышае1 1,4 тыс. Выход из сфоя оборудования гяговой подстанции приводит к крупным экономическим затратам, как прямым, связанным с его заменой, 1ак и косвенным, включающим в себя простой и задержку большого количес1ва поездов. Поэюму в соогве;(сгвии со «Сфатегией развития железнодорожного транспорта России до 2030 года» [ 1), повышение надежносш инфра-сфуктуры, куда входяI 1акже и заземляющие усмройспза как важнейший элемеш тяговой сеш, признано приоригстым и ак!уальным направлением научных и технических разрабоюк.

Заземляющие усфойспза (ЗУ) тяговых подсчанций являются важным звеном в системе тягового электроснабжения, выполняющим защитные и рабочие функции. Исправное заземляющее устройс!во обеспечивает защиту и безопасное обслуживание электротехнического обору/ювания на территории подстанции в случае возникновения аварийного режима В нормальном режиме рабопл гяшвой подстанции посюянного юка через цепь «ЗУ - дренажная установка - минус источника» час1 ично замыкается обрашый ¡яговый юк.

Параметры заземляющих усфойсп? под воздействием большого количества факторов (соств груша, влажноеIь, наличие в 1руше солей и кислоI, элекфо-коррозия под воздейсIвисм блуждающих токов и 1.д.) непрерывно изменяются. В результате с течением времени возможно увеличение сопротивления заземляющих устройств, коррозионные разрушения отдельных элементов заземли 1еля, ню в случае возникновения аварийных режимов (короткое замыкание, прямой удар молнии, комму 1ационнос перенапряжение и др.) может привес!и к 01казу срабатывания защит, появлению высокого поюнциала на электрооборудовании, пробою изоляции, 1срмическим повреждениям и элскфофавмам.

нас I ройки дренажной ^ащиш ЗУ III.

3. Разрабо1а1ь меюд определения продольных парамефов элеменюв заземляющих ус фойе г в Ш в переходном режиме.

4. Разработать устройство для определения сопротивления заземляющих устройств и настройки дренажной защиты ЗУ тяювых подстанций постоянного тока электрифицированных железных дорог.

Методы исследования. При исследовании применялись как теоретические, 1ак и эксперимешальные метлы. Георешческие исследования выполнены с использованием фундамен 1альных положений торешческих основ элекфо техники и электрохимии, математического моделирования на ПК с использованием мат-ма1ического паке 1а МаЛСАО и срсдсIв С1а1ис1ической обрабо1ки массивов данных программы М8 Схсс1. Обрабо1ка экспериментальных данных выполнялась с привлечением методов математической с!а1ис1ики и регрессионного анализа. Разработка принципиальных схем проводилась с использованием паке!а Р-Сас1 2006.

Научная новизна рабопл сосюи1 в юм, что усовершенс1 вованы: математическая модель заземляющего усфойсгва ТП с учетом юковой зависимости сопротивления т раницы раздела «металл - I рут»;

методы определения сопротивления заземляющих устройств 1яювых подстанций постоянного юка, позволяющие учесть юковую зависимость сопротивления границы раздела «металл - грунт»;

метод настройки дренажной защиты ЗУ тяговых подстанций. Достоверность научных положений и результатов, полученных в работе, подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 15 % Практическая ценность диссертации заключается в следующем: разработанный меюд определения сопротивления заземляющего устройства позволяет оценип> сопротивление растеканию заземляющих устройств тяговых подстанций и значение сопротивления границы раздела «металл-груш»;

предложенный меюд эксперимешального определения сопротивления заземляющих устройств 1яювых подстанций посюянною юка позволяет установить сопротивление заземляющего устройства в широком диапазоне юков;

предложенный меюд определения добавочного сопротивления дренажной установки позволит существенно сократить трудовые затраты на выполнение насфойки дренажной защиты заземляющих устройств 1яювых подстанций;

предложено устройство для определения сопротивления заземляющих устройств и настройки дренажной защиты заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока.

Научные положения, выносимые на защиту:

усовершенствованная матема1 ическая модель заземляющего усфойсгва тяговой подстанции с учетом сопротивления границы раздела «металл — 1руш»;

разработанный меюд определения продольных параметров )лемешов ЗУ ТП в переходном режиме,

усовершенствованные методы определения сопротивления ЗУ ТП с учеюм сопротивления границы раздела «металл — фунт»;

усовершенствованный меюд настройки4дренажной защиты. Апробация работы. Основные резулыапл диссертационной работы докладывались и были одобрены:

- на региональной молодежной научно-технической конференции «Омское время - взгляд в будущее», Омск, 2009 г.;

-на открытом межрегиональном конкурсе инновационных проекюв по энерторесурсосберсжению, Новосибирск, 2009 I..

-на II всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая- передовые технологии - в промышленность», Омск, 2009 I , 2010 г.;

- на молодежном конкурсе инновационных проектов «Новое звено - 2010», Новосибирск, 2010 г.;

-на открытом всероссийском конкурсе инновационных проектов «Энер-гоэффекгивная сибирь», Новосибирск, 2010 г.;

-на международной научно-технической конференции «Инновации для

Распрос1 ранение электрическою си1 нала по длине однородной линии и электромагнитного влияние между линиями определяе1ся электрическими пара-мефами линии. Эюму вопросу посвящено досгаIочное количество рабо! как отечественных, тк и зарубежных авторов: Зунде С. Д. [21], Гроднева И. И. [22], Михайлова М. И. и Разумова Л. Д. [23], Сфижевскот о И. В. [25], и др.

Большинство из перечисленных рабо! посвящено получению и анализу решений дифференциальных уравнений в юрою порядка, коюрые описываю1 изменение парамефов раснрос I раняю1цс1 ося по длине линии си1 нала.

По известым парамефам распросфаняющеюся по элементу заземляющего усфойства сишала представляется возможным определи 1Ь компонеты элек-тромагнигного поля на поверхности земли.

В насюящее время продолжаются исследования в области заземляющих систем. Вопросами нормирования параметров заземляющих усфойств в Новосибирском юсу даре I венном техническом университете занимается Целебровский Ю. В. [33]. Под его началом была создана программа для расчет заземляющих систем произвольной конфшурации в неоднородном груше РАЯ817, основанная на применении ишегральных уравнений.

Софудник компании НПФ «Элпап» Колечицкий Г С. и др. занимаются методами диагностики заземляющих усфойств [34], разработкой измерительных комплексов и компьютерных программ. Они принимали непосредственное участие в разработке руководящей документации по диагностике заземляющих усфойспв объектов электроэнергетики (по заданию РАО ЕЭС России).

Проблемами исследования коррозионного состояния заземляющих устройств в Омском юсударс1 венном университете путей сообщения занимается Кандаев В. Д. [35]. Особенностям работы заземляющих усфойств обьекюв электроснабжения железнодорожного транспорта посвящены работы Косарева Б. И [36, 37, 38], Когелытикова Д. В [39, 40].

Особенности работы заземлиIелей в установках электросвязи и проблемы электромагнитной совместимости рассматриваются в [36, 37] и других.

Продолжение таблицы 1.1

М-416 ПО «Мегом-меф», Украина 400 0,09, не более

Прибор для определения ЗАО Ц11ИТЭ, 12,5 0,06,

напряжения прикоснове- г. Новосибирск не более

ния (тага) косвенным ме-

тодом ОНП-1

МС-08 «Энерго-прибор» 1,5 - 2,5 (вращение генера-юра механическое) опреде-ляс1ся на1рузкой

Геофизическая annapaiypa завод «Вибра- 5 0,01; 0,032;

АНЧ-3 юр», Молдова 0,1

КДЗ-1 ООО «Элнап», I. Москва 57, 21 1 опреде-ляется нагрузкой

MRU-105 Измериiejib па- Бопе!, Польша 128 до 0,225

раме фов заземляющих

yciponciB

Как видно из таблицы, рекомендованная руководящей доку мен 1ацией для

определения сопрожвлепия ЗУ аппара1ура обеспечивае1 измери 1ельный юк в диапазоне часю1 5 - 500 I ц, при эюм ею форма и амгиш1уда могу! бьпь различными.

Все приведенные приборы работаю! на переменном юке, чго делас1 невозможным их применение для оценки сопротивления границы раздела «ме!алл-грунг», поскольку величина поляризации переменным юком ниже, чем посюян-ным, и ее значение уменыиае1ся с росIом часюш поляризующего юка. Переменный юк вызывае1 периодическое изменение концешрации ионов на 1ранице раздела и вмес1е с эшм периодическое изменение значения по1енниала элекфо-да. В работе [84] Фрумкиным А. Н. были сопос!авлены величины поляризации переменным Дф^ и носюянным Дф= юком одинаковой плопюсж:

Аф л/О

-= _—г= (1

Аф= 8-л/й' К

где оо- циклическая часю!а поляризующего юка ¡о, рад/с;

•у

Э - коэффициент диффузии, м"/с;

5— юлщина границы раздела «метлл-1 рун I», м