Введение к работе
Актуальность темы исследования. Особенностью электрифицированного железнодорожного транспорта является использование рельсовой сети в качестве обратного провода системы тягового электроснабжения. Рельсы, лежащие на шпалах и балласте, неидеально изолированы от земли, поэтому часть обратного тягового тока возвращается на тяговую подстанцию по земле как параллельному проводнику. Токи, стекающие с рельсов, в земле создают поле блуждающих токов, оказывающих влияние на подземные сооружения, в том числе и на заземляющее устройство (ЗУ) тяговой подстанции (ТП).
Заземляющее устройство тяговой подстанции выполняет не только защитную функцию, но и рабочую при канализации тягового тока к минусу источника. При этом ЗУ ТП подвержено коррозии блуждающими токами.
Продление срока службы ЗУ ТП за счет предотвращения развития коррозии блуждающими токами повышает уровень безопасности, эксплуатационной готовности и надежности оборудования тяговой подстанции, что является одним из основных вопросов энергетической стратегии России на период до 2030 г. и стратегии научно-технического развития холдинга «Российские железные дороги» на период до 2020 г. и на перспективу до 2025 г.
Для защиты ЗУ ТП от коррозии блуждающими токами необходимо обеспечить защитный потенциал сооружения в пределах, установленных ГОСТ 9.602-2005 «Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные».
В неагрессивных грунтах коррозия заземлителей из стали составляет в среднем 2,5 мм за 10 лет. Но на подстанциях, где дренажная защита отсутствует или находится в нерабочем состоянии, коррозия протекает более интенсивно, приводя к существенным повреждениям вплоть до полного разрушения элементов заземляющего устройства. Так, элемент длиной 10 м, выполненный из полосовой стали 40 4 мм, может потерять 50 % своей массы менее чем за два года при возможном сроке эксплуатации в 40 лет при поддержании защитного потенциала.
Анализ существующих средств защиты ЗУ ТП от коррозии блуждающими токами показал, что они не обеспечивают защитный потенциал за весь период эксплуатации. Тем самым вопрос совершенствования средств защиты от коррозии блуждающими токами заземляющих устройств тяговых подстанций является актуальным.
Степень разработанности темы исследования. Для совершенствования существующих методов и технических средств защиты ЗУ ТП от коррозии блуждающими токами необходимо определить распределение электрических
величин на заземляющем устройстве тяговой подстанции в условиях влияния тяговой рельсовой сети.
Значительный вклад в исследование распределения токов и потенциалов в тяговой рельсовой сети и в системе «тяговая рельсовая сеть – земля – подземное металлическое сооружение» внесли И. В. Стрижевский, Г. Г. Марквардт, К. Г. Марквардт.
Большое внимание изучению взаимных влияний между проводниками уделено В. П. Закарюкиным, А. В. Крюковым.
Изучением распределения электрических величин в заземляющем устройстве занимались В. В. Бургсдорф, Г. Г. Пучков, А. И. Сидоров, Ю. В. Це-лебровский, Б. И. Косарев, А. Б. Косарев.
Вопросами защиты подземных металлических сооружений занимались
A. В. Котельников, Н. П. Глазов, Н. Н. Глазов, Ю. В. Демин, М. Л. Долганов,
B. А. Кандаев.
Несмотря на разработанность данной темы при расчете токов и потенциалов в ЗУ ТП не учитывается влияние тяговой рельсовой сети, где протекают токи значительной величины, а известные средства защиты ЗУ ТП от коррозии блуждающими токами не обеспечивают защиту на желаемом уровне.
Цель диссертационной работы – увеличение срока службы заземляющего устройства тяговой подстанции путем совершенствования метода и технических средств защиты от коррозии блуждающими токами.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие
задачи:
-
определить электрические параметры составляющих системы «тяговая рельсовая сеть – земля – заземляющее устройство тяговой подстанции», взаимные сопротивления между тяговой рельсовой сетью и элементами заземляющего устройства тяговой подстанции с учетом изолирующего слоя тяговой рельсовой сети;
-
составить математическую модель системы «тяговая рельсовая сеть – земля – заземляющее устройство тяговой подстанции» с учетом взаимных сопротивлений между тяговой рельсовой сетью и элементами заземляющего устройства тяговой подстанции, позволяющую повысить точность определения токов и потенциалов в ЗУ ТП;
-
улучшить эксплуатационные показатели существующих средств дренажной защиты путем разработки метода расчета добавочного сопротивления дренажной установки в зависимости от тока тяговой подстанции для обеспечения защитного потенциала ЗУ ТП наиболее продолжительное время;
-
усовершенствовать способ защиты ЗУ ТП от коррозии блуждающими токами путем повышения точности поддержания потенциала ЗУ ТП по отношению к медно-сульфатному электроду сравнения;
-
определить экономический эффект от внедрения усовершенствованного способа защиты ЗУ ТП.
Объект исследований. Тяговая рельсовая сеть, заземляющее устройство тяговой подстанции.
Предмет исследований. Средства защиты заземляющего устройства тяговой подстанции от коррозии блуждающими токами.
Научную новизну работы составляют следующие результаты:
-
разработана математическая модель системы «тяговая рельсовая сеть – земля – заземляющее устройство тяговой подстанции», учитывающая взаимные сопротивления между тяговой рельсовой сетью и элементами заземляющего устройства тяговой подстанции;
-
улучшены эксплуатационные показатели существующих средств дренажной защиты с помощью предложенного метода расчета добавочного сопротивления дренажной установки в зависимости от тока тяговой подстанции;
3) усовершенствован способ защиты заземляющего устройства тяговой
подстанции от коррозии блуждающими токами за счет выделения постоянной
составляющей потенциала заземляющего устройства по отношению к медно-
сульфатному электроду сравнения.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием положений теоретических основ электротехники, математического моделирования и расчетов с использованием математического пакета MathCAD и программы расчета на языке высокого уровня.
Экспериментальные исследования проводились на тяговых подстанциях постоянного тока Западно-Сибирской железной дороги.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
математическая модель системы «тяговая рельсовая сеть – земля – заземляющее устройство тяговой подстанции» с учетом взаимных сопротивлений между тяговой рельсовой сетью и элементами заземляющего устройства тяговой подстанции;
-
метод расчета добавочного сопротивления дренажной установки в зависимости от тока тяговой подстанции;
3) усовершенствованный способ защиты заземляющего устройства тяговой подстанции от коррозии блуждающими токами.
Достоверность научных положений и результатов, полученных в работе, обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 10 %.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
1) разработанная математическая модель системы «тяговая рельсовая сеть
– земля – заземляющее устройство тяговой подстанции» позволяет повысить
точность определения токов и потенциалов в рассматриваемой системе за счет
учета взаимных сопротивлений между тяговой рельсовой сетью и элементами
заземляющего устройства тяговой подстанции;
-
предложенный метод расчета добавочного сопротивления дренажной установки в зависимости от тока тяговой подстанции позволяет обеспечить потенциал заземляющего устройства тяговой подстанции по отношению к медно-сульфатному электроду сравнения в пределах защитного диапазона наиболее продолжительное время;
-
усовершенствованный способ защиты, реализованный в автоматической дренажной установке, позволяет увеличить точность поддержания потенциала заземляющего устройства тяговой подстанции в диапазоне защитных значений в течение всего периода эксплуатации, предотвращая развитие коррозии блуждающими токами путем снижения пульсации части обратного тягового тока, возвращающегося через заземляющее устройство тяговой подстанции.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте» (Омск, 2013), на научной конференции «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте», посвященной Дню российской науки (Омск, 2015), на международной научно-практической конференции «Роль транспортной науки и образования в реализации пяти институциональных реформ», посвященной Плану нации «100 конкретных шагов» (Алматы, 2016), на второй международной научно-практической конференции «Повышение энергетической эффективности наземных транспортных систем» (Омск, 2016), на X всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2016), на V международной научно-практической конфе-6
ренции «Инновационные научные исследования: теория, методология, практика» (Пенза, 2016), на VI международной научно-практической конференции «Инновационные научные исследования: теория, методология, практика» (Пенза, 2017), на постоянно действующем научно-техническом семинаре ОмГУПСа «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2017).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе пять статей в изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России, получен один патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 149 наименований, трех приложений и содержит 110 страниц основного текста, в том числе 39 рисунков, 17 таблиц.