Совершенствование методов и технических средств определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока
На правах рукописи
СЫРЕЦКАЯ Анастасия Олеговна 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 степени кандидата технических наук
ОМСК 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Омский госу дарственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))».
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор КАНДАЕВ Василий Андреевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор КОТЕЛЬНИКОВ Александр Владимирович главный научный сотрудник отделения «Электрификация и энергоснабжение же лезных дорог», ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» («ВНИИЖТ»);
доктор технических наук, профессор ДЕМИН Юрий Васильевич профессор кафедры «Электрооборудование и автоматика», ФГБОУ ВПО «Ново сибирская государственная академия водного транспорта» (НГАВТ).
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)».
Защита диссертации состоится 21 июня 2013 г. в 9009 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при ФГБОУ ВПО «Омский государ ственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))» по адресу:
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государст венного университета путей сообщения.
Автореферат разослан 20 мая 2013 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печа тью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.
Тел./факс: (3812) 31-13-44;
e-mail: [email protected]
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор О. А. Сидоров.
© Омский гос. университет путей сообщения,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Железнодорожный транспорт – одна из круп нейших отраслей народного хозяйства Российской Федерации. На долю желез ных дорог приходится 84 % от общего объема грузоперевозок на территории страны. В настоящее время около 50 % железнодорожного пути является элек трифицированным, а количество тяговых подстанций превышает 1,4 тыс. Вы ход из строя оборудования тяговой подстанции приводит к крупным экономи ческим 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 важ ным звеном в системе тягового электроснабжения, выполняющим защитные и рабочие функции. Исправное ЗУ обеспечивает защиту и безопасное обслужи вание электротехнического оборудования на территории подстанции в случае возникновения аварийного режима. В нормальном режиме работы тяговой под станции постоянного тока через цепь «ЗУ – дренажная установка – минус ис точника» частично замыкается обратный тяговый ток.
Параметры заземляющих устройств под воздействием большого количества факторов непрерывно изменяются, что с течением времени приводит к корро зионным разрушениям отдельных элементов заземляющих устройств и увели чению сопротивления растеканию ЗУ.
Важнейшим показателем технического состояния заземляющего устрой ства в соответствии с действующей нормативно-технической документацией яв ляется его сопротивление, величина которого складывается из продольного со противления элементов ЗУ, сопротивления грунта в зоне растекания тока (сопро тивления растеканию) и сопротивления границы раздела «металл – грунт», зави сящего от плотности стекающего (натекающего) на элемент ЗУ тока. Рекомендо ванные нормативной документацией приборы реализуют различные методики из мерения и имеют различные параметры измерительных сигналов, поэтому опре деленные 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 измеритель ного тока в несколько десятков раз. Поскольку существующие методы и прибо ры не обеспечивают достаточную точность в определении сопротивления за земляющих устройств тяговых подстанций, совершенствование методов и раз работка аппаратуры, позволяющих повысить точность определения сопротивле ния 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 ком плексного диагностирования и мониторинга объектов инфраструктуры желез нодорожного транспорта является весьма актуальной.
Цель диссертационной работы – совершенствование методов и техни ческих средств определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока для повышения эффективности их эксплуатаци онного 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 за земляющих 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 ис пользованием фундаментальных положений теоретических основ электротех ники и электрохимии, математического моделирования на ПК с применением математического пакета MathCAD и средств статистической обработки масси вов данных программы MS Excel. Обработка экспериментальных данных вы полнялась с привлечением методов математической статистики и регрессион ного 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 за висимости сопротивления границы раздела «металл – грунт»;
методы определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока, позволяющие учесть токовую зависимость со противления границы раздела «металл – грунт»;
метод настройки дренажной защиты ЗУ тяговых подстанций.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной ра боты подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение резуль татов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 15 %.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
разработанный метод определения сопротивления заземляющих устройств позволяет установить значения сопротивления растеканию заземля ющих устройств тяговых подстанций и сопротивления границы раздела «ме талл – грунт»;
предложенный метод экспериментального определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока позволяет уста новить 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 уче том сопротивления границы раздела «металл – грунт»;
усовершенствованный метод настройки дренажной защиты.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы до кладывались и были одобрены: на региональной молодежной научно-технической конференции «Омское время – взгляд в будущее» (Омск, 2009);
на открытом меж региональном конкурсе инновационных проектов по энергоресурсосбережению (Новосибирск, 2009);
на II всероссийской молодежной научно-технической кон ференции «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 «Инновацион ное развитие железнодорожного транспорта России» (Омск, 2012);
на технических семинарах кафедр ОмГУПСа.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе – де сять 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 введе ния, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 117 наименова ний 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 ак туальность, формулируются задачи исследования и намечаются пути их решения.
В первом разделе выполнен анализ работ в области исследования пара метров 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., Де мин 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., Якобс 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 тяговых подстанций установлено, что рекомендован ные нормативно-технической документацией методы и технические средства имеют невысокую точность и не позволяют обеспечить надежный эксплуатаци онный контроль ЗУ. В связи с тем, что тема исследования разработана недоста точно, выявлена необходимость совершенствования методов и технических средств, позволяющих определить сопротивление заземляющих устройств тяго вых подстанций при различных режимах работы и величине тока.
Второй раздел посвящен определению электрических параметров эле ментов ЗУ, в рамках которого выполнен анализ электрохимических процессов на границе раздела «металл – электролит». На основе аналитических зависимо стей, отражающих связь перенапряжения на границе раздела «металл – элек тролит» 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 Rгр и емкостью Сгр. Для учета поляризации элемента заземлителя в схему замещения введена э.д.с. Еп.
Для упрощения схемы замещения R L эл эл элемента ЗУ при работе на постоянном то Е п Е ке из нее были исключены реактивные эле- п Элемент ЗУ R менты Lэл, Cгр и продольное сопротивление гр С R гр гр Rэл (рис.1 б). R раст Для определения Rгр элемента ЗУ бы- R раст ли проведены полевые измерения на посто а) б) янном токе (рис. 2) и в переходном режиме.
В качестве элемента ЗУ использовалась Рис. 1. Схема замещения элемента ЗУ 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» Rгр рассчитывалось по формуле:
i IiЗУ R раст V5 V ЗУ ст R iгр, (1) - + i I ЗУ 4 где – установившийся потен i ЗУ циал элемента ЗУ при стекании тока Iiзу, В;
ст – стационарный Рис. 2.Схема определения токовой зависимости потенциал элемента ЗУ, В;
Iiзу – сопротивления заземлителя: 1 – элемент ЗУ;
2 – ток, стекающий с элемента ЗУ, А;
источник питания;
3 – переменное сопротивление;
4 – шунт;
5, 6 – вольтметры постоянного тока;
7 – Rраст – сопротивление растеканию электрод сравнения, 8–токовый электрод элемента, Ом.
По результатам измерений получена токовая зависимость сопротивления элемента ЗУ (рис. 3).
При измерениях в переходном режиме (рис. 4) к элементу ЗУ через элек тронный ключ подключалась аккумуляторная батарея. Согласно законам ком мутации, при срабатывании ключа емкостное сопротивление границы раздела ХС 0 и шунтирует сопротивление Ом Rгр. Ток в цепи и напряжение на за землителе регистрировались осцил- лографом. На основании полученных Rзу осциллограмм (рис. 5) были рассчи- А/м 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1, таны значения сопротивления расте- J Рис. 3. Токовая зависимость сопротивления канию, сопротивления границы раз одиночного горизонтального заземлителя дела «металл – грунт» и полное со противление заземлителя: - + U1 U 0 6 ;
(2) R ЗУ раст I U2 U0 ;
(3) R ЗУ полн 2 I2 Рис. 4. Схема определения составляющих со противления заземлителя в переходном ре (4) R гр R ЗУ полн R ЗУ раст, жиме: 1 – заземлитель;
2 –электрод сравнения;
где t1 – момент прекращения резкого 3 – токовый электрод;
4 – источник питания;
роста потенциала элемента ЗУ, мс;
– электронный ключ;
6 –шунт;
t2 – момент достижения потенциалом 7 –запоминающий осциллограф элемента ЗУ постоянного значения, с;
I1 – значение тока в момент времени t1, А;
I2 – значение тока в момент времени t2, А;
U0 – стационарный потенциал элемента ЗУ, В;
U1 – значение потенциала элемента ЗУ в момент времени t1, В;
U2 – установившееся значение потенциала элемента ЗУ, В.
Ом I1 RRзу гр I Iзу t t1 Rраст U0 Uзу R U1 U2 0 0,2 0,4 0,6 A Рис. 5. Осциллограммы напряжения и I тока на элементе ЗУ при переходном Рис. 6. Токовые зависимости составляющих процессе сопротивления элемента ЗУ Результаты измерений показывают, что сопротивление границы раздела «металл – грунт» элемента ЗУ нелинейно зависит от тока (рис. 6), значения со противления растеканию элемента ЗУ, полученные на постоянном токе и в пе реходном режиме, отличаются на 5%.
Для определения продольных электрических параметров элементов ЗУ были выполнены экспериментальные исследования продольного сопротивления Zэл и модуля магнитной проницаемости µэл стальных элементов круглого, пря моугольного и уголкового профилей в переходном режиме. Сопротивление эле ментов определялось делением напряжения на ток с переводом сигналов в ча стотную область, модуль магнитной проницаемости рассчитывался из трансцен дентного выражения:
Zi r 2 I1 (qi r), (5) i 2 fi 10 I0 (qi r) где qi = j 2 fi ;
r – радиус проводника, м;
– удельная проводимость, Cм/м;
fi – частота i-й гармоники, Гц;
– абсолютная магнитная проницаемость;
I0 (q i r), I1 (q i r) - модифицированные функции Бесселя 1-го рода.
Результаты расчетов модулей сопротивления и магнитной проницаемости стального прутка диаметром 6 мм приведены на рис. 7 и 8.
0,02 Ом 5432 1 0,01 |Z| 1` 5 0, 2` 0 А 500 1000 1500 2000 0 А I 50 100 150 200 250 300 Рис. 8. Модуль относительной магнитной про I ницаемости стальных элементов ЗУ от тока: 1` – Рис. 7. Модуль сопротивления стальных эле точное и приближенные значения на частоте ментов ЗУ от тока на частотах 1 – 0 Гц;
2 – 790 Гц;
2, 2`– то же на частоте 1600 Гц 790 Гц;
3 – 7900 Гц;
4 – 15800;
5 – 31600 Гц Для приближенного расчета относительной магнитной проницаемости бы ло принято, что для больших значений qir можно считать I0 (qi r) I1 (qi r).
Наибольшее расхождение приближенного и точного значений модуля от носительной магнитной проницаемости наблюдается для стального прутка и при токах более 1 кА превышает 100 %, для остальных проводников расхождение не значительно и составляет 2 – 8 %. Такое явление можно объяснить различием марок стали, из которых выполнены проводники, и малым значением qir.
Значения модуля магнитной проницаемости для всех проводников мак симально 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 поз волили определить, что допущение I0 (qi r) I1 (qi r) при вычислении относитель ной магнитной проницаемости не применимо для проводников с малым попе речным 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 сопро тивления заземляющего устройства и необходимость ее учета.
В третьем разделе представлена усовершенствованная математическая модель заземляющего устройства, дополненная падением напряжения на со противлении границы раздела «металл – грунт» грi ( Ii ) :
n (c) грi ( Ii ) Ij ;
ij i (6) j (c) ZI, i ii где – собственные и взаимные поперечные сопротивления элементов, Ом;
Zi ii, ij – продольные сопротивления элементов, Ом;
i(с) – потенциал в середине i-го эле мента заземляющего устройства, В;
i – градиент потенциала вдоль i-го элемента, В/м;
j, Ijс – ток, стекающий с j-го элемента, и продольный ток в его середине, А.
В соответствии с предложенной математической моделью (6) был усо вершенствован и реализован в программе существующий алгоритм расчета ЗУ, на основании которого был выполнен анализ работы реального ЗУ тяговой под станции. Сопротивление границы раздела элемента ЗУ Rгр было задано в виде кусочно-непрерывной функции вида:
где F – постоянная Фарадея, 2RT RT при ;
R гр гр о Кл/моль;
R – универсальная газовая Fi 0 F постоянная, Дж/мольК;
T – абсо 2RT i 8RT i ln о ln (7) F i0 F id лютная температура, К;
i0 – плот при эл Н;
R гр (i) i ность тока обмена кислорода ( i0О ) 2RT i ln i0н или водорода ( i 0 Н ), А/м2;
i d – диф F при, R гр (i) эл Н i фузионная плотность тока, А/м2;
– потенциал заземлителя, при котором становится возможным восстановле Н ние водорода, В.
Произведен анализ влияния параметров границы раздела «металл – грунт» на сопротивление заземляющих устройств тяговых подстанций, выполнен расчет токовых зависимостей сопротивления заземляющего устройства тяговой под станции при изменении температуры границы раздела (таблица), ее рН (рис. 9, а, б) и концентрации кислорода в приграничном слое грунта (рис. 10).
1, 0, Ом Ом 1, 0, 1, R R 0,1 1, 0 A 0 50 100 200 A 0 50 100 I I а б Рис. 9. Токовые зависимости сопротивления ЗУ при рН = 10 (сплошная) и 6 (пунктирная):
а – при удельном сопротивлении грунта = 10 Омм;
б – при = 100 Омм Сопротивление ЗУ при температуре 1, границы раздела 5 и 15 С Ом RЗУ, Ом =100 Омм R,% I, A 1, при t=5С приt=15С =80 Омм 0,1 0,76 0,76 0,01 =60 Омм 0,5 0,83 0,84 0,48 0, R 1 0,86 0,87 0,58 0,6 =40 Омм 2 1,00 1,02 1,75 0,4 =20 Омм 3 0,91 0,92 0, =10 Омм 0, 4 0,86 0,86 0, 5 0,83 0,84 0, 0 20 40 60 80 100 120 140 160 A 10 0,79 0,79 0,29 I 20 0,72 0,72 0,21 Рис. 10. Токовые зависимости сопротивления за 50 0,68 0,68 0,27 земляющего устройства для концентрации кисло 100 0,66 0,66 0,23 рода на границе раздела 0,6 моль/м3 (сплошная) и 2 моль/м3 (пунктирная) 200 0,65 0,66 0, Установлено, что сопротивление ЗУ ТП слабо зависит от рН и темпера туры границы раздела «металл-грунт» для положительных значений темпера тур. При малых плотностях тока на сопротивление заземляющего устройства оказывает влияние концентрация кислорода в грунте, определяемая влажно стью 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 R ЗУ раст, заземляющего устройства R ЗУ полн и границы раздела «металл – грунт» R гр определяют по формулам:
где t0, t1 – моменты начала и окончания об U1 U (8) R ЗУ раст, ласти линейного роста потенциала ЗУ, мс;
I t – момент окончания переходного процес U2 U (9) R ЗУ полн, са, с;
I1 – значение тока в момент времени t1, I (10) А;
I2 – установившееся значение тока, А;
R гр R ЗУ полн R ЗУ раст, U0 – стационарный потенциал ЗУ, В;
U1 – значение напряжения в момент вре мени t1, В;
U2 – установившееся значение напряжения в момент времени t2, В.
Предложен способ определения сопротивления заземляющих устройств тя говых подстанций. В качестве измерительного тока была использована часть тя гового тока, замыкающаяся на минус источника через дренажную цепь (рис. 12).
Iшзу,A Uзу,B I U I U U t2 t,мс t0 t1 t0 t1 t2 t,мс Рис.11. Осциллограммы тока и напряжения на заземляющем устройстве К шунту 6 дренажной установки подключается вольтметр постоянного V2, вольтметр V1 подключается между заземляющим устройством 2 и электро дом сравнения 1, отнесенным в «точку нулевого потенциала». К вольтметрам V1 и V2 подключено автоматическое записывающее устройство с синхронной записью напряжения на входах. После измерения напряжений Uш и Uз с помо щью вольтметров V2 и V1 соответственно искомое сопротивление заземляю щего устройства рассчитывается по формуле:
U зi R ш V R зi, (11) U шi Учитывая, что измеритель- А V1 ный ток в заземляющем устройcтве является случайной величиной, измерения произво дятся многократно, полученные Рис. 12. Схема измерения: 1 –электрод сравнения, массивы обрабатываются стати- – ЗУ, 3 – минус источника, 4 – дренажная установ стическими методами с получе- ка, 5 – точка подключения к путевому дроссель нием коэффициентов регрессион- трансформатору, V1 и V2 – вольтметры постоянно го тока, 6 – шунт дренажной установки Rш, ной зависимости RЗУ = f(I). 7 – добавочное сопротивление Rд, 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 со противления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока Западно-Сибирской железной дороги.
Значения критерия хи-квадрат для измерений по всем подстанциям больше принятого уровня значимости = 0,05. Гистограммы частот распреде ления токов для заземляющих устройств ТП приведены на рис.13.
0, (I 105,24) 12 1 Ом 2 50, f(I) e 10 50,29 0, 6 0, 4 R 0, f 0, 150 А 30 50 70 90 110 130 10 I 0 50 100 150 A а I а 25 (I 21,98) 1 2 10,762 f (I) e 20 10, 76 15 Ом f R 0, А 0 5 10 15 20 25 30 40 I A 0 5 10 15 20 25 30 35 I б б (I 4,88) 0, 25 23, f(I) e 3,08 2 Ом 15 0, R 0, f 0, А 0 2 4 6 8 12 A 0 5 I I в в Рис. 13. Диаграммы распределения токов в за Рис. 14. Экспериментальные значения со земляющих устройствах тяговых подстанций противлений ЗУ ТП Входная (а), Фадино 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 a описаны гиперболической регрессионной моделью вида R(I) a 0. Согласно I критерию Фишера предложенные модели (рис. 14) адекватно описывают зави симость Rзу(I), средняя ошибка аппроксимации составляет менее 13 %.
При сопоставлении полученной регрессионной модели (12) с результата ми расчета на основе математической модели (7) выявлено, что характер рас четной и экспериментальной зависимостей сопротивления заземляющего устройства от тока совпадает в диапазоне 3 – 200 А.
Расхождение результатов расчета сопротивления заземляющего устрой ства тяговой подстанции с использованием математической модели (7) и экспе риментальных данных не превышает 15 %.
Использование данного метода позволяет определять сопротивление за земляющего устройства на значительном токе, а также уменьшить влияние по мех и случайных процессов за счет применения статистических методов обра ботки результатов измерений, снизить временные, трудовые и финансовые за траты на измерение сопротивления заземляющего устройства тяговой подстан ции постоянного тока.
Предложен способ настройки дренажной защиты заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока посредством многократных измерений потенциала ЗУ ЗУ, напряжения на шунте дренажной установки Uш и тока под станции I по схеме, приведенной на рис. 12. По результатам измерений полу чают статистически значимые значения измеряемых величин для трех потенци алов ЗУ: ЗУ"= – 1 В;
ЗУ и ЗУ – произвольных, не равных ЗУ", на основании которых рассчитывают величину добавочного сопротивления по формуле:
R др R п р з ), (13) Rд Iш (I Iш )(R ЗУ R др R п р з ) Iш (I Iш )(R ЗУ где Rдр – сопротивление дренажной цепи, Ом;
Rп р-з – переходное сопротивле Iш (I Iш )(R ЗУ R др ) I ш (I I ш )(R ЗУ R др ) ние «рельс-земля», Ом, R п р ;
Rзу, Rзу, з Iш (I I ш ) I ш (I Iш ) Rзу" – значения сопротивления ЗУ, соответствующие потенциалам ЗУ, ЗУ, ЗУ", Ом;
I, I', I'' – значения токов подстанции, А;
Iш, I'ш, I''ш – значения токов в ЗУ, А. Величиной сопротивления дренажной цепи Rдр пренебрегают или при нимают Rдр равным 0,1 Ом.
Предложенная методика позволит существенно сократить трудовые за траты на выполнение настройки дренажной защиты ТП за счет автоматизации процессов измерения, построений и расчета добавочного сопротивления.
Предложено устройство для определения сопротивления заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного тока, позволяющее автоматизиро ванно определять сопротивление ЗУ и добавочное сопротивление дренажной защиты без применения источников высокой мощности, что значительно сни жает затраты и повышает эффективность эксплуатационного контроля обрат ной тяговой сети подстанции постоянного тока.
Устройство состо- начало ит из измерителя напря- вывод пользовательского жения, датчика тока, со- меню гласующего устройства, блок выбора блок ввода блок обеспечивающего усиле- длительности блок блок частоты и блок начальных передачи расчета расчета измерения значений:
данных в R R зу добав ние сигнала, и согласова- измерений пк U,R,R ш др o ние его уровней, аналого цифрового преобразова- выход Рис. 15. Алгоритм программы микроконтроллера теля, микроконтроллера, блоков индикации, клавиатуры, памяти и передачи данных и блока питания.
Разработаны структурные и принципиальные схемы аналоговой и цифро вой частей устройства, алгоритм программной части (рис. 15).
В пятом разделе выполнен расчет показателей экономической эффек тивности 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 под станций.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Определены продольные параметры элемента заземляющего устрой ства тяговой подстанции в переходном режиме. Установлено, что наличие по стоянной составляющей в измерительном сигнале оказывает влияние на маг нитную 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 подстан ции с использованием разработанной модели и экспериментальных данных не превышает 15 %.
3. Предложены методы, позволяющие определять величину сопротивле 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 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. А в деева, А. О. Сырецкая // Известия Транссиба. – 2012. – № 2. – С. 69.
2. Кандаев, В. А. Определение поляризационных параметров заземля ющих устройств / В. А. Кандаев, В. А. Мухин, А. О. Сырецкая // Изве стия Транссиба. – 2012. – №3. – С. 65.
3. Сырецкая, А. О. Экспериментальные исследования электромагнит ных 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 зазем ляющего 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 за земляющего устройства в импульсном режиме / В. А. Кандаев, К. В. Авдее ва, 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 характери стик заземляющего устройства / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А.О. С ы рецкая // 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 им пульсных характеристик заземляющего устройства / В. А. Кандаев, К. В.
Авдеева, А. О. Сырецкая // Россия молодая: передовые технологии – в про мышленность: Материалы III всерос. молодежной науч.-техн. конф. / ОмГТУ, Омск. – 2010. – Кн. 2. – С. 3.
9. Зуб, К. С. Программно-аппаратный комплекс определения техниче ского состояния подземных сооружений / К. С. Зуб, А. О. Сырецкая // Ма териалы II региональной молодежной науч.-техн. конф. «Омский регион – ме сторождение 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 Рос сии: Материалы регион. науч.-техн. конф. / ОмГУПС, Омск. – 2012. – С. 109.
11. Пат. 2423717 Российская Федерация, МПК7 G 01 R 33/16. Способ определения магнитной проницаемости цилиндрических ферромагнитных про водников [текст] / Кандаев В. А., Авдеева К. В., Сырецкая А. О.;
заяви тель и патентообладатель ГОУ ВПО «Омский гос. ун-т путей сообщения». – № 2010108013;
заявл. 04.03.10;
опубл. 10.07.11, Бюл. № 19. – 6 с.: ил.
12. Пат. 95857 Российская Федерация, МПК7 G 01 R 31/00. Аппаратура для определения технического состояния заземляющего устройства [Текст] / Кандаев В. А., Авдеева К. В., Сырецкая А. О. ;
заявитель и патентообла датель ГОУ ВПО «Омский гос. ун-т путей сообщения». – № 2010108000/22;
за явл. 04.03.10;
опубл. 10.07.10, Бюл. № 19. – 2 с.: ил.
Типография ОмГУПСа. 2013. Тираж 100 экз. Заказ.
644046, г. Омск, пр. Маркса,