WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

АВДЕЕВА Ксения Васильевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

ОМСК 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

КАНДАЕВ Василий Андреевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

ДЕМИН Юрий Васильевич;

доктор технических наук, доцент

БУБНОВ Алексей Владимирович.

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС, г. Хабаровск).

Защита диссертации состоится 30 июня 2009 г. в 900 часов на заседании
диссертационного совета Д 218.007.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)») по
адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 26 мая 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета
Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; е-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор О. А. Сидоров.

_________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

1) выполнить анализ технического состояния заземляющих устройств тяговых подстанций и существующих методов его определения;

2) определить параметры стальных конструкционных элементов заземляющего устройства различной формы с учетом токовой и частотной зависимости;

3) усовершенствовать математическую модель ЗУ с учетом частотной и токовой зависимости внутреннего сопротивления его элементов;

4) произвести расчет распределения параметров электромагнитного поля на поверхности земли от токов в элементах заземляющего устройства;

5) 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;

6) разработать программно-аппаратный комплекс определения технического состояния заземляющих устройств тяговых подстанций электрифицированных железных дорог, выполнить моделирование аппаратуры в системе Matlab/Simulink;

7) 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 ХХI века» (Казахстан, Алматы, 2006); на 1 научной межвузовской интернет-конференции «Перспективы развития транспорта в ХХI 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, основные направления исследования.

В первой главе произведен анализ технического состояния заземляющих устройств тяговых подстанций постоянного и переменного тока на Западно-Сибирской, Восточно-Сибирской и Дальневосточной железных дорогах. В результате проведенных исследований установлено, что большинство из длительно эксплуатируемых заземляющих устройств имеют повреждения отдельных элементов различного происхождения. На некоторых тяговых подстанциях отсутствуют документация и исполнительные схемы заземляющего устройства.

Значительный вклад в исследование заземляющих устройств внесли ученые Р. К. Борисов, В. В. Бургсдорф, Ю. В. Демин, Р. Н. Карякин, Е. С. Колечицкий, А. В. Котельников, Б. И. Косарев, С. И. Коструба, Н. Н. Максименко, Н. Ф. Марголин, М. И. Михайлов, Ф. Оллендорф, А. Б. Ослон, Г. Г. Пучков, Е. Я. Рябкова, Ю. В. Целебровский, А. И. Якобс и др. Однако, в подавляющем большинстве работ разрабатывались методы расчета заземляющих систем и недостаточно внимания было уделено вопросам эксплуатационного контроля.

В результате проведенного анализа методов определения технического состояния заземляющих устройств установлено, что рекомендованные нормативно-технической документацией методы трудоемки, а существующие технические средства не позволяют с поверхности земли определить реальное техническое состояние заземляющего устройства и обеспечить надежный эксплуатационный контроль. Выявлена необходимость совершенствования методов и технических средств, позволяющих с поверхности земли определить техническое состояние элементов заземляющих устройств тяговых подстанций, трассу, глубину залегания и степень коррозионного износа горизонтальных элементов заземляющего устройства, длину вертикальных элементов.

Для составления технических требований и разработки программно-аппаратных средств определения с поверхности земли технического состояния заземляющего устройства выполнен анализ параметров электромагнитного поля, формируемого измерительным током в элементах заземляющего устройства. Для расчета распределения тока и потенциалов в элементах ЗУ должны быть известны параметры этих элементов.

Вторая глава посвящена исследованию электрических параметров элементов заземляющего устройства. Параметры цилиндрического проводника определяются через компоненты электромагнитного поля, которые, в свою очередь, получены через вектор-потенциальную функцию.

Согласно действующей нормативной документации заземляющие устройства тяговых подстанций выполняются из стальных проводников. Стальной проводник является ферромагнитным, его магнитная проницаемость зависит от величины протекающего тока. Сложная зависимость магнитной проницаемости стальных проводников от множества трудно учитываемых факторов не позволяет определить эту зависимость аналитически, поэтому учет зависимости выполнен экспериментально. В результате эксперимента определено внутреннее сопротивление стальных проводников цилиндрической, полосовой и уголковой формы. Погрешность измерения внутреннего сопротивления ферромагнитных проводников составляет 4,5 %.

Результаты измерений модуля внутреннего сопротивления стальной полосы размером 20  4 мм в диапазоне частот от 50 до 10000 Гц при значениях тока от 5 до 100 А приведены на рис. 1.

Рис. 1. Модуль внутреннего сопротивления стальной полосы 20  4 мм

Из результатов измерений и известного выражения для определения полного внутреннего сопротивления цилиндрического проводника получена зависимость магнитной проницаемости стали от частоты и протекающего тока:

,

(1)

где Z – внутреннее сопротивление проводника, полученное экспериментально, Ом/м; r – радиус цилиндрического проводника, м; 1 – удельная проводимость металла проводника, См/м; f – частота протекающего по проводнику тока, Гц.

Графики относительной магнитной проницаемости стального цилиндрического проводника диаметром 6 мм в диапазоне частот от 50 до 10000 Гц при значениях тока от 5 до 100 А приведены на рис. 2.

Для проводников прямоугольного и уголкового профиля определен эквивалентный магнитный коэффициент Km, отражающий токовую зависимость сопротивления:

.

(2)

где rэ – эквивалентный радиус проводника, вычисляемый по формуле:

,

(3)

здесь u – периметр проводника, м.

Рис. 2. Магнитная проницаемость стального цилиндрического
проводника диаметром 6 мм

На основе полученных экспериментальных данных построена регрессионная модель внутреннего сопротивления стальных проводников различной формы в зависимости от частоты, тока и геометрических размеров:

;

(4)

,

(5)

где, – коэффициенты регрессионного уравнения; I – величина тока, А;
m – количество членов регрессионного уравнения, зависит от порядка регрессионного уравнения и количества факторов; M – матрица, элементами которой являются значения степеней, в которые возводятся факторы.

Полученная регрессионная модель позволяет определить сопротивление элементов заземляющего устройства с достаточной для практики точностью с учетом частотной и токовой зависимости.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»