Методы снижения сопротивления заземляющих устройств в многолетнемерзлых грунтах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Васильев, Павел Филиппович

Оглавление диссертации кандидат технических наук Васильев, Павел Филиппович

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ, ВОДОЕМОВ И СООРУЖЕНИЙ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ, ВМЕЩЕННЫХ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ

1.1. Электрофизические свойства грунтов в регионах Севера

1.2. Электропроводность многолетнемерзлых грунтов

1.3. Электрофизические свойства водоемов расположенных в

зоне холодного климата

1.4. Методы определения удельного сопротивления многолетнемерзлых грунтов

1.5. Оценка традиционных методов и средств выполнения заземляющих устройств

1.6. Конструкции заземляющих устройств и методы их выполнения в условиях Севера 35 Выводы к главе 1

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

2.1. Оценка подходов к обеспечению электробезопасности производства работ в условиях холодного климата

2.2. Метод заложения заземлителя в тонкий высокопроводя-

щий слой в многолетнемерзлых грунтах

2.3. Основные принципы метода построения заземляющих устройств на основе электродов-нагревателей коаксиальной конструкции

2.4. Способы выполнения заземляющих устройств для мобильных электроустановок

Выводы к главе 2

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ КОАКСИАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ВМЕЩЕННЫХ В МНОГО-ЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ГРУНТЫ

3.1. Методика расчета коаксиальных заземляющих устройств 6

3.2. Результаты испытаний вспомогательного контура заземляющего устройства на основе коаксиальных электродов-нагревателей

3.3. Способ и устройство стабилизации нормированного сопротивления заземляющих устройств вмещенных в многолетне-мерзлые грунты

3.4. Технико-экономическое решение контура заземляющего устройства в виде электродов-нагревателей коаксиальной конструкции 77 Выводы к главе 3

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА НА ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

4.1. Условия возникновения вертикальной деформации грунтов

4.2. Результаты исследований

4.3. Расчет сил вертикальной деформации 85 Выводы к главе 4

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карта распространения многолетней мерзлоты на территории РФ

2. Акт внедрения результатов исследования Якутскими городскими электрическими сетями

3. Акт внедрения в учебный процесс кафедры «Электроснаб-

4. Зависимость допустимых величин напряжений прикосновения и сопротивлений заземляющих устройств в установках с малыми токами замыкания от переходных сопротивлений и величины тока однофазного замыкания на землю

5. Пример расчета защитного заземления подстанции напряжением 110/10 кВ

6. Перевод °С в абсолютные милливольты

7. Микропроцессорные терморегуляторы

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Электростанции и электроэнергетические системы», 05.14.02 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы снижения сопротивления заземляющих устройств в многолетнемерзлых грунтах»

Проблема снижения сопротивления растеканию тока заземляющих устройств в условиях холодного климата и многолетнемерзлых грунтов, а также его стабилизация включает исследования распространения многолетнемерзлых грунтов, их состава, особенностей и характеристик. Так в условиях многолетнемерзлых грунтов выполнение заземляющих устройств в соответствии с требованиями Правил устройств электроустановок (ПУЭ) сопряжено с дополнительными трудностями, обусловленными высокими затратами составляющими 30-35% сметной стоимости объекта [74, 75]. Снижение капиталовложений за счет рациональных конструкций заземлителей и методов их выполнения, а также повышение надежной работы энергосистем и обеспечение безопасности персонала является актуальной задачей.

Многолетнемерзлые грунты распространены на одной пятой части суши Земного шара и встречаются на севере Аляски, Канады, Европы, Азии, островах Северного Ледовитого океана - общей площадью 35 млн. км2, то есть распространение многолетнемерзлых грунтов - явление глобального масштаба. Единственные материки, где многолетнемерзлые грунты отсутствует, - это Австралия и Африка. Значительная часть вечной мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи. Распространение многолетней мерзлоты в России проиллюстрировано на карте (см. приложение №1).

На территории средних и высоких широт обоих полушарий верхние слои литосферы на относительно долгий срок охлаждаются до отрицательной температуры. Грунты, почвы, породы, содержащие включения льда, считаются мерзлыми; не содержащие в своем составе кристаллов льда - талыми.

По определению одного из основоположников науки мерзлотоведения H.A. Цытовича грунты определяются как мерзлые, если они имеют нулевую или отрицательную температуру и содержат в своем составе лед [125]. Грунты считаются многолетнемерзлыми, если они находятся в мерзлом состоянии в продолжение многих лет (от 3-х и более).

Определенный вклад в развитие исследований многолетнемерзлых грунтов и их свойств, а также в исследования работы заземляющих устройств в них, внесли отечественные и зарубежные ученые: Альтшулер Э.Б., Акимов А.Т., Бургсдорф В.В., Вайнер A.JL, Вялов С.С., Гольдштейн М.Н., Городецкий С.Э., Грачев В.Н., Грачев С.Э., Добрецов В.Б., Дордин Ю.Р., Ершов Э.Д., Ефремов В.Н., Зарецкий Ю.К., Карелин В.И., Керстен М.С., Кобылин В.П., Коструба С.И., Кудрявцев В. А., Максименко H.H., Максимяк Р.В., Миренбург Ю.С., Найфельд М.Р., Никольский O.K., Ослон А.Б., Пархоменко Э.А., Пекарская Н.К., Редькин В.К., Резодубов Д.В., Ржевский В.В., Седалищев В.А., Федоров Р.И., Целебровский Ю.В., Цирель Я.А., Цытович H.A., Чуманов В.П., Шасткевич Ю.Г., Шушерина Е.П., Эбин Л.Е., Якобе А.И., Якупов B.C., Якушев М.В., Anderson D., Anderslaud О.В., DeVries D.A., Farouki O.T., Fish A.M., Nixon J.F., Pusch R., Sayles F, Ladanyi В., Penner E. И др.

Важнейшими техническими задачами энергетики являются: обеспечение безопасности обслуживающего персонала; безаварийная работа электрических систем и установок; грозозащита зданий, различных сооружений и линий связи с помощью устройства надежных заземлений, удовлетворяющих требованиям ПУЭ в течение всего года.

Для снижения сопротивления заземлителей в многолетнемерзлых грунтах, имеющих удельное электрическое сопротивление от 500 до 10000 Ом-м, Редькин В.К. и др. рекомендуют способы: применения глубинных заземлителей; специальной обработки грунта; устройство заземлителей в деятельном слое; вынос заземлителей в под озерный или подру еловый талики.

Одним из эффективных путей уменьшения сезонного изменения сопротивления заземления в условиях многолетнемерзлых грунтов является сохранение части, вмещающей заземлители среды в талом состоянии в зимний период времени. В этом случае сезонные изменения сопротивления заземления будут определяться сезонным изменением объема таликовой зоны, которая сохранится до начала сезонного протаивания. Экспериментальные

исследования по сохранению вмещающих заземлитель грунтов в талом состоянии с целью снижения сопротивления заземления и амплитуды его сезонных вариаций в условиях холодного климата и многолетнемерзлых грунтов начаты в 1970 году B.C. Якуповым и В.Н. Грачевым [127-133]. К тому времени проводились опыты М.Р. Найфельдом [81] (в районе г. Магадан) по подогреву заземлителей током при напряжении 6-12 кВ для поддержания земли в талом состоянии, однако, по мнению исследователя, этот метод требует большого расхода электроэнергии. При этом конструкция заземлителей, их размеры, способ подогрева, эффективность, затраты электроэнергии не указаны.

Использование электроподогрева для создания искусственных таликовых зон может быть решено двумя способами: грунт оттаивает либо на контакте проводника с током, с которым, в частности, может быть и сам заземлитель, либо в объеме при пропускании через него тока или создании в нем высокочастотного электромагнитного поля [132].

Первый способ с нагревом самого заземлителя исследовался Э.Б. Альтшулером и Ю.В. Шевцовым, которые подавали на заземлитель, состоящий из трех труб диаметром 16 мм, длиной 8 м напряжение в 6 кВ, что привело к снижению сопротивления заземления с 300 до 80 Ом за 4 часа [76]. Использование греющего кабеля проще, но для достижения равного эффекта при одинаковой удельной мощности нагрева требует значительно большего времени, ввиду того, что оттаивание происходит от поверхности распределения греющего кабеля.

Применение второго способа затрудняется высоким удельным электрическим сопротивлением мерзлых грунтов, что препятствует созданию достаточно большой плотности тока. В обход этой трудности можно предварительно создать в грунте зону относительно высокой электропроводности с помощью электрического пробоя или нагревом в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. На следующем этапе можно уже использовать меньшее напряжение. Очевидно, что указанные способы

могут быть применены лишь в крайних случаях, т.е. при наличии технических возможностей. Недостатком описанных выше способов создания искусственных таликов оттаиванием мерзлых грунтов с помощью электроподогрева заключается в том, что большая часть энергии расходуется на плавление льда, содержащегося в них. Поэтому наиболее эффективными являются методы сохранения вмещающей заземлитель среды в талом состоянии в зимний период времени. Это особенно важно и потому, что у множества заземляющих устройств заземлители располагаются в сезонноталом слое [132].

Из сказанного выше можно сделать следующий вывод: сохранением или искусственным созданием таликовых зон в многолетнемерзлых грунтах и их электропроводностью можно эффективно управлять с помощью электроподогрева, но выбрав наиболее экономичный и безопасный способ.

Настоящая работа посвящена разработке методов снижения сопротивления растеканию тока заземляющих устройств в условиях многолетнемерзлых грунтов методом искусственного создания, и сохранения в зимний период времени, электропроводящего слоя грунта вокруг коаксиального электрода-нагревателя, как наиболее экономичного устройства работающего на низком напряжении.

Работа выполнена в отделе электроэнергетики Института физико-технических проблем Севера СО РАН в рамках программ НИР (шифр 6.1.7 «Анализ прогнозного фона и выявление ключевых задач нового этапа развития энергетики региона Севера (на примере Республики Саха (Якутия))»; шифр 3.1.1.6 «Комплексный анализ потенциала эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, надежности и экологической безопасности систем энергетики Республики Саха (Якутия) при формировании энергетических центров Востока России в первой четверти XXI века»).

Целью данной работы является разработка научных основ, методов и средств снижения и круглогодичной стабилизации сопротивления растеканию тока заземляющих устройств, вмещенных в многолетнемерзлые грунты, на

основе электроподогрева деятельного слоя грунта коаксиальными электродами-нагревателями.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

-обзор существующих методов снижения и стабилизации сопротивления заземляющих устройств в многолетнемерзлых грунтах;

-разработка метода создания круглогодично проводящего слоя грунта на основе электродов-нагревателей коаксиальной конструкции;

-разработка технического решения заземляющих устройств коаксиальной конструкции для стационарных и мобильных электроустановок;

-разработка методики расчета заземляющих устройств с применением электродов-нагревателей коаксиальной конструкции;

-разработка метода вмещения заземляющих устройств в высокопрово-дящие слои многолетнемерзлых грунтов.

В работе используются следующие методы исследований: математического моделирования, системного анализа, интегрального теплового баланса, анализа экспериментальных данных, Рунге-Кутта четвертого порядка точности, припасовывания (кусочно-линейной аппроксимации), статистики, теории вероятности.

Научная новизна полученных в работе результатов:

1. Разработан метод снижения сопротивления заземляющих устройств, путем искусственного создания таликовой зоны, вокруг электродов-нагревателей коаксиальной конструкции для стационарных и мобильных электроустановок.

2. Разработана методика расчета электродов-нагревателей коаксиальной конструкции, как дополнение к стандартным методам.

3. Предложен способ, и устройство вмещения заземляющих устройств в высокопроводящие слои, обеспечивающий снижение на два порядка сопротивления контура заземления в зимний период времени.

4. Впервые предложен метод борьбы с силами вертикальной деформации контура заземления путем защемления расчетной части электродов много-

На защиту выносятся следующие положения:

1. Метод снижения сопротивления растеканию тока в многолетне-мерзлых грунтах и его стабилизация в зимний период времени на основе электродов-нагревателей коаксиальной конструкции.

2. Методика расчета электродов-нагревателей коаксиальной конструкции, как дополнение к стандартным методам расчета заземляющих устройств.

3. Способ заложения заземляющих устройств в высокопроводящие слои многолетнемерзлых грунтов.

4. Методика определения действия сил вертикальной деформации на электроды заземляющих устройств и ее решение посредством защемления в вечномерзлый слой грунта.

Достоверность и обоснованность научных положений обеспечены применением современной экспериментальной техники и методик и подтверждены результатами натурных испытаний.

Совокупность полученных результатов представлена в диссертации, как теоретическое обобщение и решение важной научно-технической проблемы, имеющей большое хозяйственное значение.

Практическое значение проведенных исследований.

Предложенные новые методы снижения сопротивления растеканию тока имеют практические применения в энергоснабжающих и промышленных предприятиях и в мобильных электроустановках находящихся в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов. Внедрение данных методов снижают сопротивление растеканию тока до нормированных значений, снижают затраты на сооружение заземляющих устройств энергообъектов, повышают надежность заземляющего устройства, работы релейной защиты и автоматики, обеспечивают электробезопасность работы обслуживающего персонала.

Реализация работы. Результаты, полученные в данной работе, внедрены Якутскими городскими электрическими сетями (см. приложение №2) и кафед-

рой электроснабжения, СВФУ (см. приложение №3).

По результатам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 1 статья, в издании, рекомендованном ВАК.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались: на заседаниях семинаров отдела электроэнергетики Института физико-технических проблем Севера СО РАН (Якутск); на III, IV, V Международных Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (в секции энергетика)(Якутск, 2006, 2008, 2010); на 2-м Международном форуме «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2006); на 79 заседании международного научного семинара им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Вологда, 2007); на IV Ларионовских чтениях (Якутск, 2009); IX Международном симпозиуме по развитию холодных регионов 18С01Ш 2010 (Якутск, 2010).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 138 наименований. Материал диссертации изложен на 104 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц, 21 рисунков и 7 приложений на 11 страницах.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и научные задачи исследований; приведены методы исследования; приведены основные научные результаты, выносимые на защиту; показана научная новизна объекта исследований; оценена практическая значимость результатов; даны структура и объем диссертации, а также объем публикаций.

В первой главе рассмотрены работы предшественников по характеристикам электрофизических свойств многолетнемерзлых грунтов и водоемов в условиях Крайнего Севера и дан критический анализ о существующих методах и средствах заземляющих устройств, конструкциях заземлителей и методах их расчетов и реализации. Проанализированы основные принципы выполнения

заземляющих устройств в условиях холодного климата и методы снижения сопротивления растеканию тока заземляющих устройств вмещенных в многолетнемерзлые грунты. На основе критического анализа подтверждена актуальность работы.

Во второй главе описаны основные принципы построения заземляющих устройств на основе предлагаемых автором электродов-нагревателей коаксиальной конструкции для стационарных и мобильных электроустановок и заложение плоскостных заземлителей в тонкие высокопроводящие слои многолетнемерзлых грунтов.

Третья глава посвящена методике расчета заземляющих устройств коаксиальной конструкции и приведены результаты экспериментальных исследований по данному методу, а также показана эффективность его применения; описан способ и устройство стабилизации круглогодично низкого сопротивления заземляющих устройств вмещенных в многолетнемерзлые грунты. Приведены технико-экономические показатели.

В четвертой главе акцентируется вопрос о негативном влиянии сил вертикальной деформации грунта на эксплуатационную надежность работы заземляющих устройств. Выявлены причины ее возникновения и способы решения данной проблемы.

В заключении отражены выводы, сделанные по результатам проведенных исследований.

Считаю своим приятным долгом поблагодарить д.т.н. В.П. Кобылина за руководство научной работой, д.т.н., профессора Д.Е. Афанасьева за поддержку и постоянное внимание к работе, своих коллег н.с. В.А. Седалищева, Р.П. Ли-Фир-Су за консультации при выполнении работы.