Введение к работе
Актуальность темы исследования Развитие системы управления и обеспечения безопасности движения поездов, предусматривающее разработку методов и средств повышения эффективности работы систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ), является одним из стратегических направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года.
Заземляющее устройство (ЗУ) в данной работе рассматривается, как одна из неотъемлемых частей СЖАТ, определяющая стабильность работы всей системы и электробезопасность обслуживающего персонала.
Опыт показывает, что повреждения оборудования СЖАТ, влияющие на безопасность и управление перевозочным процессом, зачастую обусловлены сопротивлением ЗУ, превышающим нормативное значение (R < 4 Ом). Широкомасштабное обновление средств железнодорожной автоматики и телемеханики подразумевает модернизацию ЗУ, особенно в той проводящей части, которая находится в электрическом контакте с землей (заземлитель). При проектировании СЖАТ раздел по устройству ЗУ является обязательным, но применяемые в настоящее время решения весьма металлозатратны, трудоёмки при строительстве, не обеспечивают стабильности нормируемой величины сопротивления ЗУ при изменении температуры и влажности грунта, недостаточно устойчивы к коррозии, затрудняют визуальный контроль технического состояния заземляющих электродов и препятствуют своевременному наращиванию их числа при ухудшении электрических характеристик. Следствием этого является высокий уровень затрат на ремонт и обслуживание заземлителей, исчисляемых сотнями тысяч, обусловленный их невысоким сроком службы (относительно срока службы СЖАТ).
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в развитие теории и практического использования ЗУ внесли работы В.В. Бургс- дорфа, Р.Н. Карякина, Е.С. Колечицкого, А.М. Костроминова, А.В. Котельнико- ва, В.Е. Митрохина, М.Р. Найфельда, А.В. Наумова, А.Б. Ослона, Е.Я. Рябко- вой, Ю.В. Целебровского, С.Л. Шишигина, А.И. Якобса и других.
Применение новых подходов к расчету ЗУ при их проектировании, обладающих большей адекватностью по сравнению с существующими, разработка надежных конструкций заземлителей позволит сократить повреждения оборудования СЖАТ, являющиеся последствиями превышений нормативного значения сопротивления ЗУ, что и обусловливает актуальность настоящей работы.
Целью диссертационного исследования является повышение эффективности проектирования, строительства и эксплуатации заземляющих устройств в системах железнодорожной автоматики и телемеханики.
Для достижения цели в диссертации решаются следующие задачи:
проведение анализа специфики заземления оборудования СЖАТ и аналитического обзора существующих моделей заземляющих устройств;
исследование математической модели, позволяющей наиболее адекватно замещать заземлители, и ее адаптация для расчета ЗУ СЖАТ;
разработка метода оптимизации топологий заземлителей в различных грунтовых условиях по критерию достижения минимального соответствующего нормативному значения сопротивления заземляющего устройства;
разработка метода оптимизации конуса наконечника модульно- стержневого заземлителя и разработка конструктивных решений для повышения надежности и технологичности заземлителей;
определение вида антикоррозионного покрытия модульно-стержневых заземлителей, наиболее стойкого к повреждению поверхности при их заглублении в грунты, содержащие щебень, куски бетона и другие травмоопасные элементы, характерные для территорий вблизи железнодорожного полотна.
Объектом исследования являются заземлители СЖАТ. Предмет исследования - совершенствование заземлителей на основе результатов моделирования и экспериментов для повышения эффективности их проектирования, строительства и эксплуатации.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались фундаментальные положения теоретической электротехники, базовые положения теории заземления, методы математического анализа, математического моделирования, натурные испытания.
Научные результаты, выносимые на защиту:
-
-
На основе исследования различных моделей заземлителей предложено использовать цепно-полевую модель (ЦПМ), имеющую программную реализацию и позволяющую наиболее адекватно отражать процессы протекания токов через ЗУ СЖАТ, учитывая их специфические топологические и конструктивные особенности.
-
Предложен метод оптимизации топологий заземлителей в различных грунтовых условиях по критерию достижения минимального соответствующего нормативному значения сопротивления заземляющего устройства с использованием цепно-полевой модели (ЦПМ) для замещения заземлителя, что позволяет сократить расход металла при строительстве новых и ремонте выработавших ресурс заземлителей.
-
Разработана математическая модель и на ее основе определена оптимальная геометрическая характеристика конусного наконечника модульно- стержневого заземлителя по критерию минимального лобового сопротивления при погружении в грунт, а также предложен усовершенствованный способ безмуфтового соединения стержней, что позволяет повысить производительность труда и снизить энергозатраты при монтажно-строительных работах.
-
Методом экспериментальных испытаний определено преимущество применения антикоррозионного покрытия заземлителей, выполненного по технологии термодиффузионного цинкования (ТДЦ), перед другим видом антикоррозионного покрытия при травматических воздействиях в ранее не исследованных грунтовых условиях, характерных для объектов СЖАТ.
Научная новизна представленной работы заключается в следующем:
-
-
-
Предложена ЦПМ для замещения ЗУ СЖАТ, позволяющая, в отличие от ранее применяемых моделей, рассчитывать заземлители любой топологии и конструкции в грунтах с произвольным удельным сопротивлением.
-
Сформулирована и решена задача оптимизации топологий заземлите- лей методом замещения заземлителя цепно-полевой моделью по критерию достижения минимального соответствующего нормативному значения сопротивления заземляющего устройства при произвольных грунтовых условиях.
-
Поставлена и решена задача определения оптимального угла раскрытия (заострения) конусного наконечника модульно-стержневого заземлителя по критерию минимального лобового сопротивления при погружении в грунт. Получен оптимальный угол раскрытия наконечника для глинистых и песчаных грунтов, который повышает технологичность и производительность работ по заглублению заземлителей. Усовершенствован способ безмуфтового соединения стержней, обеспечивающий в отличие от существующих соединений надежный электрический контакт между отдельными стальными стержнями в результате повышения стойкости соединения таких стержней к изломам при погружении в почву, а также позволяющий снизить энергозатраты при строительно-монтажных работах.
-
Введено понятие «травмостойкость антикоррозионного покрытия заземлителей» и доказано, что для антикоррозионной защиты заземлителей, заглубляемых вблизи железнодорожного полотна, следует использовать термодиффузионное цинкование.
Теоретическая значимость исследований заключается в расширении методической базы проектирования заземлений СЖАТ, соответствующих заданным нормативам сопротивлений, и конструирования заземлителей.
Практическая значимость состоит в том, что применение предложенных автором конструкций стержневых заземлителей позволит снизить расходы при строительстве (материальные затраты вследствие сокращения расхода металла, трудовые затраты в результате сокращения объема работ), а также при эксплуатации (увеличение срока службы за счет повышения стойкости к коррозии).
Достоверность результатов обеспечивается корректностью исходных математических положений, обоснованностью принятых допущений, проверкой соответствия теоретических результатов экспериментальным данным, внедрением разработок.
Реализация и внедрение научных результатов работы. Результаты, полученные в диссертации, приняты к использованию ЗАО «Форатек АТ» при разработке проектных решений в части заземления постов электрической централизации на станциях Забайкальской и Юго-Восточной железных дорог, а также OOO «Алстрим Энерго» при серийном производстве и монтаже наконечников модульно-стержневых заземлителей с оптимальным углом заострения, что подтверждено актами о внедрении. Научный результат диссертационной работы использован в учебном процессе кафедры «Электрическая связь» ПГУПС в дисциплине «Электромагнитная совместимость и средства защиты».
Апробация результатов диссертационного исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях, проводимых Санкт-Петербургской организацией Общероссийской общественной организации «Российское научно- техническое общество радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова» (СПбНТОРЭС), посвященных Дню радио (С.-Петербург, 2009, 2010, 2011, 2012г.г.), на заседании секции «ЭМС в техно- и биосфере» Дома ученых им. М.Горького РАН (2013г.), на заседании кафедры «Электрическая связь» ПГУПС.
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получен один патент на полезную модель.
Личный вклад. В работе излагаются результаты, вклад в которые автора был существенным на всех этапах; экспериментальные исследования проведены при непосредственном участии автора; конструкция соединения стержней заземлителя разработана и запатентована в соавторстве.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 52 рисунка и одно приложение на 3 листах.
Похожие диссертации на Разработка методов и средств повышения эффективности заземляющих устройств в системах железнодорожной автоматики и телемеханики
-
-
-
