авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ

ОТТЯЖЕК ОПОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ В

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.14.02 – «Электрические станции и

электроэнергетические системы»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2016

Овсянников Александр Георгиевич,

доктор технических наук, профессор,

Филиал

ОАО

«Электросетьсервис

ЕНЭС». Новосибирская специализиро-

ванная

производственная

база

(г. Новосибирск),

первый

заместитель

директора по науке

Кандаев Василий Андреевич,

доктор технических

наук,

профессор

ФГБОУ ВПО «Омский государственный

университет путей сообщения» (г. Омск),

кафедра «Систем передачи информации»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное

образовательное

учреждение

высшего

образования

«Алтайский

государст-

венный

технический

университет

им. И.И. Ползунова» (г. Барнаул)

Защита состоится 24 марта 2016 г. в 13 часов (ауд. 227) на заседа-

нии диссертационного совета Д 223.008.01 при ФГБОУ ВО «Сибир-

ский государственный университет водного транспорта» по адресу:

630099, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, ФГБОУ ВО «СГУВТ»

(тел./факс (383)222-49-76,

e-mail:

nsawt_ese@mail.ru

или

ese_sovet@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО

«Сибирский государственный университет водного транспорта» и на

официальном сайте ФГБОУ ВО «СГУВТ»: http://ssuwt.ru.

Автореферат разослан 24 декабря 2015 г.

Официальные оппоненты:

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего образования «Сибирский

государственный университет водного транспорта» (ФГБОУ ВО

«СГУВТ»)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Алаев Евгений Георгиевич

Учёный секретарь

диссертационного совета

2

Коновалов

Валерий Владимирович

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В составе ОАО «ФСК ЕЭС» имеется 303 воздушных линии (ВЛ)

электропередач напряжением (220 – 750) кВ, протяженность которых

составляет более 44 тыс.км. В агрессивных грунтово-климатических условиях

срок службы электросетевых конструкций зачастую сокращается до 3-5 лет,

что в 4-6 раз меньше расчетного. Статистика фиксирует: 40 % аварий,

происходящих из-за повреждений на линии, приходится на конструкцию опор

ВЛ. Аварии на подобных линиях приводят к крупным убыткам, их анализ

показывает, что особое внимание следует уделять проблеме оценки состояния

узлов крепления оттяжек и определению ресурса их работы. Данный узел

находится под землей и недоступен для непосредственного визуального

осмотра, а вскрытие грунта является весьма трудоёмкой и дорогостоящей

операцией, требующей отключения линии и установки временных оттяжек.

Мировой опыт свидетельствует, что коррозионное разрушение анкерной петли

либо U-образного болта зачастую приводит к падению опоры. Подобные

аварии наблюдались в России, США, Мексике, Финляндии.

Исследования

Ю.В.Демина,

А.Г.Тарасова,

А.Г.Овсянникова1,

В.А.Кандаева2, А.Х.Мусина3 и других охватывают различные аспекты

изучения аварийного состояния опор высоковольтных линий.

Однако, анализ технического состояния таких важных узлов опор линий

электропередач, какими являются анкерные петли и U-образные болты

находящиеся под землей, весьма затруднен.

Поэтому, разработка новых и совершенствование существующих

методов оценки состояния опор линий электропередачи и определение их

ресурса работы представляется весьма актуальной задачей.

Объектом исследования являются опоры с оттяжками высоковольтных

линий в электроэнергетических системах.

Предметом исследования являются процессы коррозии узлов крепления

U-образных болтов и анкерных петель, совершенствование методов оценки

состояния

оттяжек

опор

высоковольтных

линий

электропередачи

в

электроэнергетических системах.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными)

программами и планом работы университета.

1

Овсянников А.Г., Арбузов Р.С., Тарасов А.Г., Фролкин Е.Н. Мониторинг технического состояния

воздушных линий электропередачи высокого напряжения // Науч. пробл. трансп. Сибири и Дал.

Вост. – 2015. – №1. – С. 226–229.

2

Кандаев В.А., Котельников А.В. Блуждающие токи и эксплуатационный контроль

коррозионного состояния подземных сооружений систем электроснабжения железнодорожного

транспорта: монография. – М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на

железнодорожном транспорте», 2013. – 552 с.

3

Мусин А.Х., Зарубин А.А. Имитационное моделирование рисков в электроснабжении в условиях

неопределенности // Науч. пробл. трансп. Сибири и Дал. Вост. – 2015. – №1. – С. 205–208.

4

Работа выполнялась в соответствии с научными целевыми комплексными

темами:

«Разработка

методов

диагностики

элементов

электросетевых

конструкций» № 08-42/249 от 02.03.2009 (Государственный регистрационный

01200952497),

«Повышение

работоспособности

электросетевых

конструкций в агрессивных условиях» Госбюджетная научно-техническая

программа 2012 – 2015 гг, регистрационный № 01201274526), и «Планом

развития научных исследований на 2007 – 2015 гг. (раздел 1.10)» ФБОУ ВПО

«НГАВТ».

Идея работы заключается в исследовании процессов распределения

токов короткого замыкания, токов коррозии в системах «заземляющее

устройство подстанция – грозозащитный трос – опоры высоковольтной линии

с оттяжками» и создании метода оценки состояния анкерных узлов опор линий

электропередачи, лишенного недостатков, присущих методам, используемым

в настоящее время и позволяющего определять остаточный ресурс работы

анкерных

петель

и

U-образных

болтов

высоковольтных

линий

в

электроэнергетических системах.

Цель и задачи исследования. Разработка научных положений и

рекомендаций, позволяющих усовершенствовать методы оценки состояния

оттяжек опор высоковольтных линий в электроэнергетических системах. Для

достижения этой цели в работе ставились и решались следующие

взаимосвязанные задачи:

распределения

токов

короткого

замыкания

и

коррозионных токов в заземляющих системах «заземляющее устройство

подстанции – грозозащитный трос – опоры высоковольтной линии с

оттяжками»;

анкерного узла;

ресурса;

методов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

коррозионных токов в системах «заземляющее устройство подстанции –

грозозащитный трос – опоры высоковольтной линии с оттяжками»;

узлов крепления оттяжек опор высоковольтных линий электропередачи,

основанные на использовании системы уравнений Максвелла для токов СВЧ в

средах «металл – продукты коррозии – грунт», позволяющие устранить

влияние грунта и рассматривать продукты коррозии в качестве диэлектрика.

При этом электромагнитная волна как бы «прилипает» к поверхности металла

и

даже

незначительное

увеличение

коррозионного

слоя

оказывает

существенное влияние на величину затухания поверхностных волн.

Для

оценка экономической эффективности использования предлагаемых

исследование

теоретическое обоснование методов оценки состояния элементов

экспериментальная оценка оттяжек опор ВЛ и определения их

исследовано

распределение

токов

короткого

замыкания

и

разработаны математические модели для оценки опасности коррозии

5

определения степени коррозии U-образных болтов используется его

электрическое сопротивление на переменном токе высокой частоты (1,6 МГц)

с учётом «скин-эффекта», а для анкерной петли – токи частотой порядка 2,2

ГГц с учетом стоячей волны, фиксированной в момент резонанса, когда по

длине анкерной петли укладывается целое число полуволн;

болтов и анкерных петель, с учётом конструктивных особенностей монтажа,

основанная на использовании математической зависимости, описывающей

изменение глубины коррозии металла оттяжек (измеренных методами

диагностики и/или при непосредственном вскрытии) во времени со средней

погрешностью 12 %.

Теоретическая

значимость

работы

заключается

в

разработке

математической модели оценки коррозии, использующую поверхностную

электромагнитную волну (высокой частоты), с учётом стоячей волны,

фиксированной в момент резонанса, когда по длине стальной конструкции

укладывается целое число полуволн.

Практическая значимость результатов работы в том:

токов короткого

замыкания, коррозионных токов и потенциалов, в системах «заземляющее

устройство подстанции – грозозащитный трос – опоры высоковольтной линии

электропередачи с оттяжками» и метод расчёта коррозии, основанный на

теории

многоэлектродных

электрохимических

систем,

позволяющий

определить распределение анодных и катодных зон на поверхности

U-образных болтов и анкерных петель, а также количественно оценить степень

опасности коррозии.

крепления оттяжек разработаны математические модели, основанные на

использовании системы уравнений Максвелла для токов СВЧ средах

«металл-продукты коррозии-грунт», позволяющие отстроиться от влияния

грунта и рассматривать продукты коррозии в качестве диэлектрика, в котором

электромагнитная волна как бы «прилипает» к поверхности металла, что

позволяет измерять величины затухания поверхностных волн в анкерных

петлях и болтах в реальных условиях с отклонениями от проекта:

коррозии

U-образных

болтов,

связывающая

коррозию

стали

с

её

электрическим сопротивлением на переменном токе высокой частоты (1,6

МГц) с учётом скин-эффекта;

коррозии анкерной петли, связывающая коррозию со степенью затухания

поверхностной электромагнитной волны (частотой порядка 2 ГГц) с учетом

стоячей волны, фиксированной в момент резонансов, когда по длине анкерной

петли укладывается целое число полуволн;

предложена методика оценки срока службы (ресурса) U-образных

получены результаты расчёта распределения

для теоретического обоснования методов оценки состояния узла

разработана математическая модель для определения степени

разработана математическая модель для определения степени

6

болтов и анкерных петель, основанная на использовании математической

зависимости, описывающей изменение глубины коррозии металла оттяжек

(измеренных методами оценки состояния и/или при непосредственном

вскрытии) во времени с погрешностью от 4 % до 20 % и на регрессионной

зависимости, связывающей глубину коррозии стали оттяжек с временем и

обобщающими физико-химическими параметрами грунта, с погрешностью до

10 %.

Методы исследования. В процессе выполнения исследований приме-

нялись: анализ данных литературных источников, методы теоретических

основ электротехники, теории поля, теории коррозии, методы математической

статистики и теории вероятностей (теории планирования эксперимента,

теории ошибок), рекомендованные Госстандартом России методы и средства

измерений, пакет программ MathCAD, сертифицированная программа «ОРУ

Проект».

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Результаты расчёта распределения токов короткого замыкания,

коррозионных токов в системах «заземляющее устройство подстанции –

грозозащитный трос – опоры высоковольтной линии электропередачи с

оттяжками».

2 Математическая

модель

для

определения

степени

коррозии

U-образных болтов, связывающая коррозию стали с её электрическим

сопротивлением на переменном токе высокой частоты (1,6 МГц) с учётом

скин-эффекта.

3 Математическая модель для определения степени коррозии анкерной

петли, связывающая коррозию стали со степенью затухания поверхностной

электромагнитной стоячей волны (частотой 2,2 ГГц), фиксированной в момент

резонанса, когда по длине анкерной петли укладывается целое число

полуволн.

4 Методика оценки срока службы (ресурса) U-образных болтов и

анкерных петель с точностью от 4 % до 20 %, основанная на использовании

математической зависимости, описывающей изменения глубины коррозии

металла оттяжек во времени (измеряемых методами диагностики и/или при

непосредственном вскрытии).

5 Рекомендации по совершенствованию методов оценки состояния

оттяжек опор высоковольтных линий в электроэнергетических системах.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и

рекомендаций подтверждаются: совпадением результатов расчётов по

предложенным математическим моделям с результатами экспериментов

проведённых как в лабораторных, так и в полевых условиях. Проведена

проверка разработанных методов в лабораторных и полевых условиях (ВЛ 220

кВ, «Кентау – Чимкент», ЮжКазЭнерго; ВЛ 330 кВ, СтавропольЭнерго; ВЛ

500 кВ, «Ермак – Омск», ОмскЭнерго), показавшая достаточную для практики

точность результатов при малых трудозатратах на проведение измерений.

предложена методика оценки срока службы (ресурса) U-образных

7

Реализация работы. Экспериментальная проверка методов оценки

состояния проводилась на действующих линиях ВЛ–220 кВ «Кентау -

Чимкент» (ЮжКазЭнерго), ВЛ–330 кВ (СтавропольЭнерго), 500 кВ «Ермак –

Омск» (ОмскЭнерго). Полученные результаты были внедрены в ЗАО «Центр

энергетических исследований».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

докладывались и были одобрены на:

«Актуальные проблемы науки» (24÷28 марта 2011 г., г.Тамбов).

«Актуальные проблемы науки» (25÷30 мая 2011 г., г.Тамбов).

– 2011» (20÷22 сентября 2011 г., г.Новосибирск).

«Обновление

флота

актуальная

проблема

водного

транспорта

на

современном этапе» (2011 г., г.Новосибирск).

электротехника» и «Электрооборудование и автоматика» ФГБОУ ВО

«СГУВТ» 2009-2015 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в

том числе семь научных статей в рецензируемых журналах, входящих в

перечень ВАК РФ.

Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их реше-

ние, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и реко-

мендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в каждой работе,

выполненной в соавторстве (показан в Приложении А диссертации) и

составляет не менее 50 %.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4

глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 70

наименований и 3 приложений. Работа изложена на 112 страницах

машинописного текста, поясняемого 27 рисунками и 18 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении: обоснована актуальность совершенствования методов

оценки состояния оттяжек опор высоковольтных линий. Приведена краткая

характеристика и состояния предмета исследований. Сформулированы цели и

задачи работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведен анализ состояния конструкций оттяжек опор

высоковольтных линий электроэнергетических систем. Показано, что одной из

основных

причин

падения

опор

высоковольтных

линий

электроэнергетических систем является коррозия подземной части узлов

крепления оттяжек опор [2, 4]. Рассмотрены причины коррозии подземных

конструкций. Проанализированы существующие методы оценки опасности

третьей

международной

научно-практической

конференции

четвертой

международной

научно-практической

конференции

девятнадцатой международной выставке «Сиббезопасность. Спассиб

международной

юбилейной

научно-технической

конференции

На

семинарах

кафедр

«Электроэнергетические

системы

и

8

коррозии U–образных болтов и анкерных петель. Сформулированы цели и

задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены результаты исследования распределения

токов короткого замыкания и коррозионных токов в системах «заземляющее

устройство подстанции – грозозащитный трос – опоры высоковольтных линий

на оттяжках».

Обоснована расчётная схема указанной системы (рисунок 1).

Рисунок 1 – Расчетная схема «заземляющее устройство подстанции –

грозозащитный трос – заземляющее устройство опор высоковольтной линии с

оттяжками»: 1,2,3 – заземляющее устройство подстанции; 4-6, 7-9, 10-12,

13-15, 16-18, 19-21, 22-24 – фундаменты опор высоковольтной линии с

оттяжками; 5, 8, 11, 14, 17, 20, 23 – грозозащитный трос; – точки трех

вариантов ввода тока короткого замыкания (точки 1, 5, 15).

Исходными данными для расчёта являются: высоковольтная линия 500

кВ, длина пролета 200 м, I = 5 кА, ρ = 100 Ом×м, ρ = 20 Ом×м.

Расчёты выполнялись с помощью сертифицированной программы «ОРУ

Проект». В расчёте системы «заземляющее устройство подстанции –

грозозащитный трос – заземляющее устройство опор высоковольтной линии с

оттяжками» были приняты следующие допущения:

сертифицированной программой и сделанными допущениями;

заглубленными на 3 м;

соответствует реальным размерам, а сечение соответствует суммарному

сечению реальных конструкций;

(на глубине 0,5 м) и вертикальными стержнями (глубина 3 м);

высоковольтной линии была принято равным 7;

подстанции в точке 1 (см. рисунок 1), а затем в точке 5 (грозозащитный трос) и

в точке 15 (фундамент опоры).

точность

вычислительного

эксперимента

была

определена

фундаменты представлены вертикальными круглыми стержнями,

порталы также представлены круглыми стержнями, длина которых

заземляющее устройство подстанции представлено горизонтальными

на

основании

предварительных

расчётов

количество

опор

были выбраны места ввода тока на заземляющем устройстве

КЗ

гр

гр

9

Результаты расчётов представлены на рисунках 2 – 4

а)

б)

Рисунок 2 – Напряжение (а) и ток (б) в расчётных точках при вводе тока

короткого замыкания в точке 1

а)

б)

Рисунок 3 – Напряжение (а) и ток (б) в расчётных точках при вводе тока

короткого замыкания в точке 5

а)

б)

Рисунок 4 – Напряжение (а) и ток (б) в расчётных точках при вводе тока

короткого замыкания в точке 15

В результате проведенного вычислительного эксперимента можно

констатировать:

1 Наиболее неблагоприятная ситуация наблюдается в случае короткого

замыкания на опоре, что сопровождается протеканием значительных величин

тока.

10

2 При коротких замыканиях на ОРУ-подстанции или вблизи от неё

наибольшее растекание тока короткого замыкания наблюдается в пределах

заземляющего устройства подстанции – наиболее благоприятный вариант.

3 В случае короткого замыкания или попадания молнии в трос токи

стекают с соседних опор (точки 4; 6), причем их максимальные значения

наблюдаются при меньшем удельном сопротивлении грунта (ρ = 20 Ом×м и

I

= 2,38 кА, а при ρ = 100 Ом×м; и I

= 1,955 кА; I

= 1,435 кА).

Вывод: Наличие столь высоких токов короткого замыкания при

интенсивной коррозии U-образных болтов и анкерных петель может привести

к их пережогу и, в наиболее худшем случае, к аварии высоковольтной линии.

Распределение токов электрокоррозии в системах «заземляющее

устройство подстанции – грозозащитный трос – заземляющее устройство

опор высоковольтной линии с оттяжками» детально исследовалось в работах

[4,5,9,10,11].

Исследование воздействия блуждающих токов на указанные системы

дополнительно было выполнено мною с помощью программы «ОРУ –

Проект». (рисунок 5).

а)

б)

Рисунок 5 – Ток в расчётных точках при вводе блуждающего тока в

точках 1 и 2 (а) и в точках 13 и 15 (б)

При

натекании

блуждающего

тока

на

заземляющее

устройство

подстанции (рисунок 5) катодная зона наблюдалась в точках 1 и 2. В точках 3 и

4 отмечается стекание тока (анодная зона) и возможно электрокоррозия

(разрушение в точках 3 и 4). Если блуждающий ток натекал на фундаменты 13

и 15 (рисунок 5) (катодная зона), то ток транзитом протекал по

грозозащитному тросу и стекал (анодная зона) с заземляющего устройства

подстанции в точках 2 и 3 и в точке 4 с опоры ближайшей к подстанции. В этих

зонах возможно разрушение.

Исследовалось так же коррозия U образных болтов опор ВЛ с оттяжками

когда грозозащитный трос был изолирован от тела опоры. На рисунке 6

представлен алгоритм расчета коррозионных токов многоэлектродной

заземляющей системы

Из результатов расчета следует:

КЗ(4),(6)

КЗ(4)

КЗ(6)

построения

поляризационных

кривых, вычисления

сопротивлений растеканию

Построение поляризационных

кривых (анодной и катодной)

для каждого элемента

Построение суммарных

Поляризационных кривых

(анодной и катодной)

Определение режима

работы каждого из

электродов (анод или

катод)

Определение собственных

поперечных сопротивлений

Составление матриц и их

вычисление

Вывод результата

11

– при уменьшении удельного сопротивления грунта менее 20 Ом×м

(согласно ГОСТ 9.602-2005 сильная коррозия), резко увеличиваются значения

катодного и анодного токов. Особенно сильное влияние сказывается при

удельном сопротивлении грунта менее 5 Ом×м. То есть, чем ниже удельное

сопротивление грунта, тем интенсивнее идет процесс коррозии;

Ввод исходных данных для

Рисунок 6 – Блок-схема алгоритма расчёта коррозионных токов

многоэлектродной заземляющей системы

– при увеличении удельного сопротивления грунта более 20 Ом×м

(средняя коррозия) снижается анодный ток стали в грунте;

– при увеличении удельного сопротивления грунта более 50 Ом×м

(слабая коррозия) процесс коррозии протекает медленно.

Указанный ГОСТ не учитывает особенностей реальной конструкции

Наличие вибрации оттяжек опор под действием ветра приводит к

появлению пустот («воронок аэрации») вокруг U - образных болтов (рисунки 7

и 8), которые существенно увеличивают глубину проникновения кислорода и

расширяют катодную зону и, тем самым, усиливает работу анодов и коррозию

в 2 – 3 раза [3;9]. В результате глубина аэрации возрастает до (1,2 – 1,5) м

(рисунок 7), а в более сухих грунтах и до (1,8 – 1,9) м.

Рисунок 7 – Образование воронки

аэрации U–образного болта

В третьей главе разработана математическая модель распространения

поверхностных волн высокой частоты в системе «металл - диэлектрик -

грунт», пригодная для расчета степени коррозии узла крепления оттяжек по

параметрам возбужденной в нём электромагнитной волны и электрического

сопротивления [7].

Метод определения сопротивления узла крепления оттяжек основан на

использовании токов высокой частоты (скин-эффект), при которых продукты

коррозии и грунт проявляют себя в качестве диэлектрика. Этот факт устраняет

влияние грунта, позволяет с достаточной точностью выделить и определить

сопротивление поверхностного слоя металла.

Материал проводника характеризуется удельной проводимостью γ и

магнитной проницаемостью μ. Предлагаемый метод позволяет оценить какая

часть тока в проводнике сосредоточена в поверхностном объёме между

радиусами «а» и «r», где «a» - радиус проводника без учета коррозии

(начальный), а «r» - оставшийся после коррозии (рисунок 9).

Рисунок 9 – Продольная компонента δz плотности тока и угловая

компонента

Нφ

напряжённости

магнитного

поля

в

цилиндрических

координатах (r, φ, z) точки M

При расчёте использованы решения уравнений Максвелла с учётом

осевой симметрии цилиндрического проводника. Поскольку в проводнике

протекает синусоидальный ток, то зависимость векторов δ и H от времени

может быть выражена комплексным множителем e

, г д е (ω - круговая

частота, t – временной параметр, j=(-1)1/2 ):

δ(r,t) = δ(r)e

, H(r,t) = H(r)e

.

( 1 )

12

Рисунок 8 – Смещение максимума

коррозии петли ( ) анкерной плиты

под действием усиленной аэрации

п

j ω t

j ω t

j ω t

r(ωγμ)1/2

0

b

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,50

1,04

1,8

3,17

5,81

10,9

20,5

39

75

145

294

β, град. -45

-38

-17

16

54

94

133

173

214

253

Расчёт по формуле (7) показывает, что на частоте 500 Гц в поверхностном

слое стального проводника может быть сосредоточено более 90% всего тока.

Отсюда следует, что при повышении частоты ток распространяется лишь в

поверхностном

слое

проводника,

а,

следовательно,

и

измеренное

2

13

В силу осевой симметрии проводника учитывалась зависимость только от

радиальной координаты – r, при этом имеют место следующие выражения

rot H = δ, rot δ = - jωγµH,

(2)

откуда, при исключении вектора H, может быть получено соотношение

rotrot δ = - jωγµ δ.

(3)

При условии, что плотность тока на входе и выходе любого участка

рассматриваемого проводника остается постоянной, по правилам векторного

анализа можно записать

rotrot δ = - Δ δ,

(4)

где Δ - оператор Лапласа.

Из соотношений (3) и (4) получено уравнение Δδ = jωγµδ. Далее,

раскрывая оператор Δ в цилиндрической системе координат (зависимости от

координат φ и z отсутствуют), приходим к уравнению Бесселя для

комплексной переменной δ(r)

d 

dr2

Решением уравнения является цилиндрическая функция J (qr).

Из уравнения (5) после подстановки δ = (0,0,δ ) и дифференцирования δ

по r, получено

dδ /dr = -AqJ (qr).

(6)

Используем закон полного тока 2πrH (r) = I(r) для силы тока I(r) внутри

окружности радиуса r и 2πrH (a) = I(a) для силы тока I(a) внутри окружности

радиуса «а». Отношение токов

I(r)/I(a) = (r/a)[J (qr)/J (qa)].

(7)

Для функции J (qr)=bejβ значения модуля "b" и угла "β" представлены в

таблице 1.

Таблица 1 – Модуль и аргумент функции J (qr)

1rd drq2 0,q2   j.

(5)

0

z

Z

z

1

φ

φ

1

1

1

1

(9)

Из полученных соотношений следует, что величина затухания прямо

пропорциональна толщине коррозионного слоя, а её изменение, с достаточной

степенью точности, может быть определено только при высоких частотах.

Кроме того, на высоких частотах наблюдается слабая зависимость затухания

от радиуса анкерной петли. Чем больше затухание поверхностной волны в

коррозионном слое (в диэлектрике), тем меньше ее проникновение в почву.

Поверхностная волна как бы «прилипает» к металлу, что практически

14

сопротивление будет относиться лишь к поверхностному слою. Поскольку

коррозия затрагивает только поверхностный слой болта, то можно сделать

вывод: данный метод позволяет определить коррозионное состояние узла

крепления оттяжек посредством пропускания через него тока высокой частоты

и дальнейшего определения его электрического сопротивления.

Метод определения сопротивления анкерной петли основан на

математической модели поверхностных стоячих волн и их использования для

оценки состояния анкерных петель.

Основная идея метода заключается в том, что с помощью СВЧ генератора

в анкерной петле формируется возбуждение поверхностной стоячей волны,

фиксируемой в момент резонанса, когда по длине анкерной петли

укладывается целое число полуволн. При этом величина затухания

определяется степенью коррозии поверхностного слоя петли [7].

Анкерная

петля

в

рассматриваемом

случае

представляет

собой

одиночный металлический

проводник,

по

которому распространяется

электрическая

волна

типа

E.

Распространение

этой

волны

вдоль

металлического проводника приводит к тому, что ток проводимости, текущий

по нему, не возвращается обратно по второму проводнику, как это имеет место

в двухпроводной линии, а замыкается токами смещения в окружающем

проводник пространстве. Волны других типов распространяются, в основном,

радиально (E ), но имеют и небольшую коаксиальную составляющую.

При высокой проводимости анкерной петли поверхностная волна создает

электромагнитное поле, занимающее пространство вокруг проводника (петли).

По мере уменьшения проводимости (вследствие коррозии) напряженность

поля внутри проводника возрастает. В нашем случае, поле концентрируется в

небольшом пространстве вокруг петли, а интенсивность затухания возрастает

из-за потерь в слое диэлектрика (продукты коррозии). Чем толще слой

диэлектрика, тем интенсивней затухание.

Для практических расчетов коэффициента затухания может быть

использована формула [5, 7]

1

(8)

1

0

2

r

M

,

где а – радиус проводника с коррозией,

х – граничное расстояние, определяемое из соотношения

1

1

x0  2

2  (zg )2  tg

.

2

0,5  ln(0,89a1 / x0)

В полевых условиях

при отсутствии

при слабой

коррозии

коррозии

Измеряемый параметр

U-образного болта

На складах

15

устраняет влияние грунта на результаты измерений затухания в коррозионном

слое в реальных условиях.

Использование высокочастотной стоячей волны (2 ГГц), когда по длине

болта укладывается целое число полуволн фиксированных в момент

резонанса, позволяет устранить взаимовлияние U-образных болтов и

искусственных заземлителей при их монтаже с отклонением от проекта [3; 6].

Метод определения сопротивления на высокой частоте U-образных

болтов базируется на той же математической модели, что и для анкерных

петель. Так как коррозия затрагивает лишь поверхностные слои U-образного

болта, то убыль сечения, а, следовательно, и возрастание сопротивления, могут

быть надежно определены при использовании высокой частоты (с учетом

«скин-эффекта»). При измерениях электрического сопротивления, в этом

случае, целесообразно использовать Т-образные мостовые схемы, так как их

особенностью являются высокая чувствительность в узких пределах

параметров схемы и рабочих частот вблизи равновесия моста. Это исключает

возможность плавной настройки и вызывает необходимость использования

фиксированной частоты измерения. С учетом глубины проникновения

измерительного тока в U-образный болт (5…10 мм) выбрана частота 1,6 Мгц.

В четвертой главе излагаются результаты экспериментальной проверки

разработанных методов оценки степени коррозии анкерных петель и

U-образных болтов.

Апробация метода измерения сопротивления на высокой частоте была

проведена

на

разных

высоковольтных

линиях:

напряжение

330

кВ

(СтавропольЭнерго), 220 кВ («Кентау–Чемкент», ЮжКазЭнерго), 500 кВ

(«Ермак – Омск», ОмскЭнерго) [6]. Результаты измерений сопротивлений

U–образных болтов диаметром 35 мм представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Экспериментальная оценка состояния U-образных болтов.

Сопротивление, Ом

1,52 ± 0,4

1,62 ± 0,55

3,86 ± 1,05

Полученные данные доказывают эффективность предложенного метода

определения в реальных условиях. Из полученных результатов следует, что

даже при слабой коррозии разница в измеренных сопротивлениях составляет

2,2 раза.

Апробация метода определения сопротивления анкерной петли с

использованием поверхностной стоячей волны приведена в таблице 3.

Разница величин сигналов, снимаемых с целой и дефектной петли лежит в

диапазоне (50 – 300) раз. При этом непроектное расположение элементов

анкерного узла не вызывает существенного изменения величины снимаемого

сигнала.

Схема

расположения

U-образных

болтов

Величина сигнала, мкВ

Целая

Дефектная

анкерная

анкерная

Частота,

f, мГц

1867

2590

2110

2117

Отношение

U /U

233,7

298,5

240

16

Важным для практического использования является определение степени

коррозии и оставшегося ресурса U-образных болтов и анкерных петель. В

данном случае эти параметры с достаточной, для практического применения

точностью (4 – 10%), могут быть определены с помощью эмпирических

зависимостей [8]

(10)

где δ

– глубина коррозии (мм); а,b,c,d – коэффициенты, зависящие от

физико-химических параметров грунта [8]; t – время (мес.).

Коэффициенты а,b,c,d могут быть найдены из таблицы, в которой

отражена взаимосвязь степеней опасности коррозии (K

) от параметров

грунта (, влажность, засоленность и т.д.).

Таблица 3 – Экспериментальная оценка состояния анкерных петель.

7,5

125,7

Данная

методика

может

быть

применена

для

практического

использования. При возникновении воронок аэрации вокруг U-образных

болтов, как показывает практика и расчеты, глубина коррозии возрастает в 2-3

раза. Это существенно снижает их ресурс, имеющийся отрицательный эффект

может быть учтен введением дополнительного поправочного коэффициента.

СР

1

2

петля, U

2328

2382

108,3

943,3

1

петля, U

9,96

7,98

0,45

2

0–K

5

СРа ln3 t b ln2 t c ln t d,

17

Основные выводы и рекомендации

1 На основании проведённого анализа оценки состояния узлов

крепления оттяжек выявлено:

U-образных болтов и анкерных петель, приводящими к падению опор;

нормативные

материалы

(ГОСТ

9.602-2005)

качественно оценивают опасность коррозии и не учитывают конструктивных

особенностей, режимов работы (анод-катод) и влияние внешних атмосферных

воздействий (например, ветровое воздействие), приводящих к появлению

«воронок аэрации», а также опасное воздействие токов короткого замыкания.

2 Исследовано распределение токов короткого замыкания, коррозионных

токов и потенциалов в системах «заземляющее устройство подстанции –

грозозащитных трос – опоры высоковольтных линий с оттяжками», которое

позволило количественно оценить степень опасности воздействия токов

коррозии и токов короткого замыкания.

3 Для теоретического обоснования методов оценки состояния узла

крепления оттяжек разработаны математические модели, основанные на

использовании системы уравнений Максвелла для токов СВЧ средах

«металл-продукты коррозии-грунт», позволяющие отстроиться от влияния

грунта и рассматривать продукты коррозии в качестве диэлектрика, в котором

электромагнитная волна как бы «прилипает» к поверхности металла, что

позволяет измерять величины затухания поверхностных волн в анкерных

петлях и болтах в реальных условиях (при отклонениях от проекта);

опасности коррозии U-образных болтов, связывающая коррозию стали с её

электрическим сопротивлением на переменном токе высокой частоты (1,6

МГц) с учётом скин-эффекта;

коррозии анкерной петли, связывающая коррозию со степенью затухания

поверхностной электромагнитной волны (частотой порядка 2 ГГц) с учетом

стоячей волны, фиксированной в момент резонансов, когда по длине анкерной

петли укладывается целое число полуволн.

4 Предложена методика оценки срока службы (ресурса) U-образных

болтов и анкерных петель;

описывающей изменение глубины коррозии металла оттяжек (измеренных

методами оценки состояния и/или при непосредственном вскрытии) во

времени с погрешностью в среднем 12 %, и регрессионной зависимости,

связывающей глубину коррозии стали оттяжек с временем и обобщающими

физико-химическими параметрами грунта, с погрешностью до 10 %.

5 Выполнена экспериментальная проверка точности предложенных

методов оценки состояния оттяжек опор высоковольтных линий в полевых

условиях (ВЛ – 220 кВ «Кентау-Чимкент»,

Южказэнерго; Вл – 500 кВ

существующие

основная группа отказов связана с коррозионными разрушениями

разработана математическая модель для определения степени

разработана математическая модель для определения степени

основанная

на

использовании

математической

зависимости,

«Ермак-Омск»,

составило 12%.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК

1 Кузнецов, А.Ю. Методы защиты от коррозии подземных конструкций

опор на оттяжках / [А.Ю.Кузнецов, Е.Г.Алаев и др.] // Науч. пробл. трансп.

Сиб. и Дал. Вост. – 2011. – №1. – С.86 – 89.

2 Кузнецов, А.Ю. Разработка информационной системы и программы

обработки результатов измерений коррозии узла крепления оттяжек опор /

[А.Ю.Кузнецов, Е.Г.Алаев и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. –

2011. – №1. – С.89 – 91.

3 Кузнецов, А.Ю. Влияние конструктивных особенностей опор

высоковольтных линий с оттяжками на степень опасности коррозии анкерного

узла / [А.Ю.Кузнецов, Ю.В.Дёмин и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал.

Вост. – 2011. – №2. – С.209 – 212.

4 Кузнецов, А.Ю. Исследование процесса коррозии элементов анкерного

крепления оттяжек опор воздушных линий высокого и ультравысокого

напряжения / [А.Ю.Кузнецов, Ю.В.Дёмин и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и

Дал. Вост. – 2011. – №2. – С.212 – 215.

5 Кузнецов, А.Ю. Распределение токов коррозии в заземляющих

системах

опор

с

оттяжками

воздушных

линий

электропередач

/

[А.Ю.Кузнецов, Е.Г.Алаев и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. –

2011. – №2. – С.215 – 218.

6 Кузнецов, А.Ю. Экспериментальная проверка методов оценки

состояния

узлов

крепления

оттяжек

опор

воздушных

линий

в

электроэнергетических системах / [А.Ю.Кузнецов] // Науч. пробл. трансп. Сиб.

и Дал. Вост. – 2015. – №3. – С.121 – 123.

7 Кузнецов, А.Ю. Разработка метода оценки состояния оттяжек опор

высоковольтных линий в электроэнергетических системах / [А.Ю.Кузнецов,

Е.Г.Алаев и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. – 2015. – №3. – С.126

– 128.

Статьи, опубликованные в российских изданиях; материалы

международных и всероссийских конференций

8 Кузнецов, А.Ю. Методика определения оценки ресурса узла крепления

оттяжек высоковольтных линий электропередач / [А.Ю.Кузнецов, Е.Г.Алаев и

др.] // Обновление флота – актуальная проблема водного транспорта на

современном этапе: междунар. юбил. науч. – техн. конф. ФБОУ ВПО

«Новосибирская

государственная

академия

водного

транспорта»

Новосибирск: Изд. НГАВТ, 2011. – Вып. 1. – С.235 – 241.

9 Кузнецов, А.Ю. Причины коррозии конструкции оттяжек опор

воздушных линий электропередач / [А.Ю.Кузнецов и др.] // Обновление флота

– актуальная проблема водного транспорта на современном этапе: междунар.

юбил. науч. – техн. конф. ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная

18

Омскэнерго).

Средняя

погрешность

оценки

состяния

19

академия водного транспорта» – Новосибирск: Изд. НГАВТ, 2011. – Вып. 1. –

С. 245 – 248.

10 Кузнецов А.Ю. Метод расчета коррозионных токов и потенциалов в

заземляющих системах. Электрическая коррозия / [А.Ю.Кузнецов, Ю.В.Демин

и др.] // Актуальные проблемы науки: междунар. науч. – практ. конф./ Изд.

ТРОО «Бизнес-наука-общество» – Тамбов: 2011. – Вып. VII. – С. 72 – 74.

11. Кузнецов, А.Ю. Метод расчета коррозионных токов и потенциалов в

заземляющих системах. Грунтовая коррозия / [А.Ю.Кузнецов, Ю.В.Демин и

др.] // Актуальные проблемы науки: междунар. науч. – практ. конф./ Изд.

ТРОО «Бизнес – наука – общество» – Тамбов: 2011. – Вып. VII. – С. 74 – 78.

Личный вклад в статьях, опубликованных в соавторстве составляет не

менее 50%.

Подписано в печать 21.12.2015 г. с оригинал-макета.

Бумага офсетная №1, формат 60×84 1/16, печать трафаретная-Riso.

Усл. печ. л.1,0. Тираж 130 экз., заказ №______. Бесплатно.

ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного

транспорта», (ФГБОУ ВО «СГУВТ»)

630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33.

Отпечатано в издательстве ФГБОУ ВО «СГУВТ»



 
Похожие работы:

«Осипова Наталия Николаевна РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ И ПОСЕЛКОВЫХ СИСТЕМ СНАБЖЕНИЯ СЖИЖЕННЫМ ГАЗОМ 05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Пенза –2015 2 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования Саратовский государственный технический университет имени...»

«Карев Михаил Андреевич МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОХАСТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ПЕРЕМЕННЫМ ЧИСЛОМ ОДНОРОДНЫХ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Ульяновск–2015 ФГБОУ ВПО Ульяновский по адресу: г. Ульяновск, ул. диссертационного совета Д 212.278.02 при государственный университет, расположенном Набережная р. Свияги,...»

«МУРАВЬЕВ Иван Станиславович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ОБУЧЕНИЯ ПИЛОТОВ ВЕРТОЛЕТОВ НАВЫКАМ БЕЗОПАСНОЙ ПОСАДКИ ВНЕ АЭРОДРОМА В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ВНЕШНЕЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЫ 05.22.14 – Эксплуатация воздушного транспорта (технические науки) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт Петербург – 2015 Официальные оппоненты: Ведущая организация: ЗУБКОВ Борис Васильевич доктор технических наук, профессор, профессор кафедры...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.