Введение к работе
Актуальность исследования. Заземляющие устройства (ЗУ) тяговых подстанций являются важным звеном в системе тягового электроснабжения. Исправное заземляющее устройство обеспечивает защиту и безопасное обслуживание электротехнического оборудования на территории подстанции в случае возникновения аварийного режима. Кроме того, от состояния заземляющего устройства зависит электромагнитная обстановка на территории подстанции, а значит, работа цифровых систем контроля и учета электроэнергии и автоматизированных систем управления.
Параметры заземляющих устройств под воздействием большого количества факторов (состав грунта, влажность, наличие в грунте солей и кислот, электрокоррозия под воздействием блуждающих токов и т. д.) непрерывно изменяются. В результате с течением времени возможны увеличение сопротивления растеканию заземляющих устройств, коррозионные разрушения отдельных элементов заземлителя, что в случае возникновения аварийных режимов (короткое замыкание, прямой удар молнии, коммутационное перенапряжение и др.) может привести к отказу срабатывания защиты, появлению высокого потенциала на электрооборудовании, пробою изоляции, термическим повреждениям и электротравмам.
Методы определения технического состояния заземляющего устройства, рекомендованные действующей нормативно-технической документацией, не позволяют в полной мере обеспечить надежный эксплуатационный контроль. Поэтому совершенствование методов и разработка аппаратуры определения технического состояния заземляющих устройств, позволяющих своевременно устранять имеющиеся дефекты и обоснованно разрабатывать мероприятия, повышающие надежность работы заземляющего устройства, является эффективным способом продления срока его службы и предотвращения аварийных ситуаций.
В соответствии со «Стратегией развития железнодорожного транспорта России до 2030 года» задача по разработке и внедрению новых систем комплексной диагностики и мониторинга объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта является весьма актуальной.
Цель диссертационной работы - совершенствование методов и программно-аппаратных средств определения технического состояния заземляющих устройств тяговых подстанций для повышения надежности и безаварийности работы оборудования тяговых подстанций.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
выполнить анализ технического состояния заземляющих устройств тяговых подстанций и существующих методов его определения;
определить параметры стальных конструкционных элементов заземляющего устройства различной формы с учетом токовой и частотной зависимости;
усовершенствовать математическую модель ЗУ с учетом частотной и токовой зависимости внутреннего сопротивления его элементов;
произвести расчет распределения параметров электромагнитного поля на поверхности земли от токов в элементах заземляющего устройства;
усовершенствовать методы определения реальной схемы заземляющего устройства с определением трассы и глубины залегания горизонтальных элементов, разработать методы определения наличия соединения в месте пересечения горизонтальных элементов, длины вертикальных элементов, коррозионного состояния элементов ЗУ;
разработать программно-аппаратный комплекс определения технического состояния заземляющих устройств тяговых подстанций электрифицированных железных дорог, выполнить моделирование аппаратуры в системе Matlab/Simulink;
определить экономический эффект от внедрения разработанного программно-аппаратного комплекса.
Методы исследования. При исследовании применялись как теоретические, так и экспериментальные методы. Теоретические исследования выполнены с применением вектор-потенциальной функции дипольных источников и математического моделирования на ПК с использованием математического пакета MathCAD. Обработка экспериментальных данных выполнялась с привлечением методов планирования эксперимента и регрессионного анализа. Моделирование аппаратуры проводилось в системе Matlab/Simulink.
Научная новизна работы состоит в следующем:
получена регрессионная модель внутреннего сопротивления стальных проводников различной формы в зависимости от частоты, тока и геометрических размеров;
усовершенствована математическая модель заземляющего устройства с учетом частотной и токовой зависимости внутреннего сопротивления его элементов;
обоснованы параметры электромагнитного поля, позволяющие оценить коррозионное состояние элементов заземляющего устройства.
Достоверность научных положений и результатов, полученных в работе, обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 10 %.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
разработаны методы определения трассы элементов заземляющего устройства по потенциалу поверхности земли, расстояния до горизонтального элемента ЗУ и глубины его залегания из любой точки пространства, наличия соединения в месте пересечения горизонтальных элементов, длины вертикального заземлителя, коррозионного состояния элементов ЗУ;
предложен программно-аппаратный комплекс для определения технического состояния заземляющих устройств тяговых подстанций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006); на IV международной научно-практической конференции «Транспорт Евразии XXI века» (Казахстан, Алматы, 2006); на 1 научной межвузовской интернет-конференции «Перспективы развития транспорта в XXI веке» (Иркутск, 2007); на IV всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (Чита, 2009); на II всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в Промышленность» (Омск, 2009); на технических семинарах кафедр ОмГУПСа.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе - десять статей, две из которых - в изданиях, входящих в перечень, утвержденный ВАК РФ; получены два патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 95 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации - 132 страницы, в том числе 42 рисунка, десять таблиц.
