Введение к работе
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 - грунт», 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-
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:
-
Усовершенствовать математическую модель ЗУ тяговых подстанций с учетом токовой зависимости сопротивления границы раздела «металл-грунт».
-
Усовершенствовать методы определения сопротивления ЗУ тяговых подстанций с учетом сопротивления границы раздела «металл-грунт» и метод настройки дренажной защиты ЗУ ТП.
-
Разработать метод определения продольных параметров элементов заземляющих устройств ТП в переходном режиме.
-
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.
