Анализ коррозионных процессов при изменениях в заземляющем устройстве тяговых подстанций Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Исследования проведены по гранту в рамках федеральной целевой программы «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2012 - 2013 гг. (мероприятие 1.3.2 -естественные науки) № 14.132.21.1362.

Список литературы

1. Фролов, К. В. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. Т. 6. Защита машин и оборудования от вибрации [Текст] / К. В. Фролов. - М.: Машиностроение, 1986. - 457 с.

2. Елисеев, С. В. Изменение динамических свойств механических колебательных систем при выделении сочленений звеньев [Текст] / С. В. Елисеев, С. В. Белокобыльский, П. А. Лонцих // Наука и образование: электронное научное издание. - 2012. - № 4.

3. Рычажные связи в механических цепях. Динамические аспекты. [Текст] / С. В. Белокобыльский, С. В. Елисеев и др. // Системы. Методы. Технологии / Братский гос. ун-т. -Братск, 2012. - № 2. - С. 7 - 16.

4. Хоменко, А. П. Системный анализ и математическое моделирование в мехатронике виброзащитных систем [Текст] / А. П. Хоменко, С. В. Елисеев, Ю. В. Ермошенко // Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск, 2012. - 274 с.

5. Динамический синтез в обобщенных задачах виброзащиты и виброизоляции технических объектов [Текст] / С. В. Елисеев, Ю. Н. Резник и др. // Иркутский гос. ун-т. - Иркутск, 2008. - 523 с.

6. Елисеев, С. В. Мехатронные подходы в динамике механических колебательных систем [Текст] / С. В. Елисеев, Ю. Н. Резник, А. П. Хоменко. - Новосибирск: Наука. 2011. - 394 с.

УДК 620.193.75

Ю. В. Демин, Г. В. Иванов

АНАЛИЗ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИЯХ В ЗАЗЕМЛЯЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Рассмотрены коррозионные процессы при различных конструктивных изменениях заземляющей системы тяговой подстанции: строительство новых кабельных линий, расширение территории подстанции и т.д. Проведен расчет коррозионных процессов заземляющей системы, состоящей из трех электродов: сталь в бетоне, металлическая сетка в грунте, стальной вертикальный электрод в грунте. Представлены результаты расчетов, выполнен анализ коррозионных процессов при различных условиях.

По условиям электробезопасности все электросетевые конструкции (силовые кабели, железобетонные опоры и фундаменты, железобетонные стойки под оборудование на подстанциях, трубопроводы, искусственные заземлители и др.) должны быть заземлены, они в итоге образуют заземляющие системы (ЗС).

В процессе эксплуатации электроустановок часто наблюдаются изменения их заземляющих систем, обусловленные расширением подстанции (строительство новых открытых распределительных устройств - ОРУ), прокладкой дополнительных естественных заземли-телей (кабелей, трубопроводов, строительство воздушных линий электропередачи и т. п.). Это приводит к изменению коррозионной ситуации на электроустановке, например, к резкому увеличению анодных токов в дефектах алюминиевых оболочек кабелей, и, следовательно, к сокращению срока их службы.

В соответствии с известными положениями теории многоэлектродных электрохимических систем проанализируем режимы работы электродов при изменении их длины и удельного сопротивления грунта [ 1, 2].

Расчеты выполним с помощью графоаналитического метода [3] на примере системы из

трех электродов: сталь в бетоне (катод), стальной вертикальный заземлитель в грунте (анод), стальная сетка в грунте (электрод с промежуточным потенциалом).

Данный метод позволяет достаточно точно определять режимы работы каждого из электродов многоэлектродной системы, а также проследить, каким образом влияет на коррозионные процессы изменение размеров электродов и условий, в которых находится система (изменение удельного сопротивления грунта, воздействие блуждающих постоянных токов).

Порядок расчета согласно графоаналитическому методу расчета коррозионных токов многоэлектродной заземляющей системы следующий:

1) строится поляризационная диаграмма «Величина тока - потенциал». Наносим на одну диаграмму анодную и катодную поляризационные кривые для интересующих нас условий (анодная и катодная поляризационные кривые получают обычно в независимых опытах при поляризации от внешнего источника тока).

Обобщенные удельные поляризационные характеристики получены по результатам многочисленных натурных измерений на отдельных элементах ЗС на подстанциях и воздушных линиях электропередачи, расположенных в различных регионах СНГ.

Так, для стальных элементов ЗС получены следующие зависимости анодных и катодных потенциалов от плотности поляризующего тока [1, 4]:

(1)

Д{/Кст =

9,381п2)к + 3,41п/к;

(2)

1,9 1 1п уА + 43,31п/А.

Для железобетонных стоек, выступающих, как правило, в роли катода и углеграфитовых электродов, получено:

Д{/КЖБ

= 7, 5 51п_/к + 5,41п/к;

УГ _ о 1-11..2.

(3)

д ^ 1 = 8, 2 1 1п 2/а + 9 5 1п/А ; (4)

2) на диаграмме строим суммарные кривые анодной и катодной поляризации. Определяем, в каком режиме (анод или катод) работает каждый электрод многоэлектродной системы (рисунок 1).

3) составляем систему уравнений в виде мат-

эиц:

Я

Я

1 р

Я

1

Я

р1

Я

рр

Я

рп

Я

п1

Я

пр

1

1

1

1

Япп 1

и

и 1

и.

ип 0

, (5)

где Яj - собственные и взаимные значения поперечных сопротивлений между г-м и ^м элементами;

I - поперечный ток, стекающий (втекающий) с j-го элемента;

и0 - компромиссный потенциал системы рассматриваемых элементов, соединенных «звездой»;

иг - исходные (задаваемые) электродные потенциалы одиночных элементов (до их соединения в систему).

Рисунок 1 - Графическое решение многоэлектродной системы на основе реальных поляризационных кривых: сплошные линии - кривые анодной поляризации; пунктирные - кривые катодной поляризации; - суммарная кривая анодного процесса; тпдг - суммарная кривая катодной поляризации; и0 - общий потенциал многоэлектродной системы;

1Х - общий макрокоррозионный ток

1

р

X

п

Собственное (/ = у) значение поперечного сопротивления определяется по выражению:

я = яГ + я АК

я Г

где " - сопротивление растеканию «металл - грунт»;

Я а,К

" - сопротивление поляризации (анодное или катодное) рассматриваемого элемента. Сопротивление растеканию элементов заземляющего устройства рассчитывается по формулам [5, 6]:

вертикальный электрод -

Яврт = "7 -1+ 275^ -)

горизонтальная сетка [6] -

(7)

Яг = +1,3 7-^ - 5,6)

П L 4ьн

(9)

. (8) Взаимное сопротивление между горизонтальной сеткой и вертикальными электродами определяется по формуле [6]:

Я =Р (1л — +1,37-^ - 4,6)

у п и ¡ 4$

где р - удельное сопротивление среды, Ом-м;

Ь - полная длина проводников, образующих горизонтальную сетку, м; S - площадь, покрытая сеткой, м2; I - длина вертикального электрода, м; ё - диаметр вертикального электрода, м; п - число вертикальных электродов;

Ь - ширина полосы горизонтального проводника, образующего сетку, м; к - глубина заложения сетки, м.

4) решаем систему уравнений (5) относительно неизвестных коррозионных токов и компромиссного потенциала системы.

Погрешность предложенного метода расчета составляет 9 - 10 %. Результаты расчетов представлены в таблице.

Результаты расчета изменений параметров многоэлектродной системы

№ Анод (стальной вертикальный электрод) Электрод с промежуточным потенциалом (стальная горизонтальная сетка) Катод (сталь в бетоне) Ом*м И0, В

4 м Ь, м яА, Ом и, В I, мА 4 м Ь, м яК, Ом и, В I, мА 4 м Ь, м яК, Ом и, В I, мА

1 0,016 5 52 -1,2 -2,79 0,016 5 520 -0,4 1,188 0,016 5 325 0,15 1,606 41 -1,029

2 0,016 5 52 -1,2 -2,80 0,016 10 520 -0,4 1,196 0,016 5 325 0,15 1,606 41 -1,028

3 0,016 5 52 -1,2 -3,24 0,016 10 520 -0,4 1,145 0,016 10 325 0,15 2,096 41 -1,001

4 0,016 5 52 -1,2 -3,48 0,016 20 520 -0,4 1,122 0,016 15 325 0,15 2,357 41 -0,967

5 0,016 10 52 -1,2 -3,68 0,016 25 520 -0,4 1,129 0,016 20 325 0,15 2,55 41 -0,990

6 0,016 5 52 -1,2 -2,36 0,016 2,5 520 -0,4 1,221 0,016 2,5 325 0,15 1,134 41 -1,134

7 0,016 10 52 -1,2 -3,28 0,016 10 520 -0,4 1,166 0,016 10 325 0,15 2,117 41 -1,013

8 0,016 20 52 -1,2 -3,31 0,016 10 520 -0,4 1,179 0,016 10 325 0,15 2,128 41 -1,019

9 0,016 5 52 -1,2 -3,25 0,016 20 520 -0,4 1,15 0,016 10 325 0,15 2,096 41 -1,001

10 0,016 5 12 -1.2 -6,93 0,016 10 200 -0,4 3,49 0,016 10 140 0,15 3,44 10 -1,101

11 0,016 5 550 -1.2 -1,34 0,016 4 300 -0.4 0,105 0,016 2,0 247 0,15 1,24 100 -0,524

Влияние изменения длины катода и элемента с промежуточным потенциалом на режим работы электродов системы. При изменении длины катода (сталь в бетоне) и длины элемента с промежуточным потенциалом (горизонтальная сетка) у электрода с промежуточным потенциалом незначительно усиливаются катодные свойства (на 4 %), ток катода уве-

личился на 30 %. В то же время усилилось разрушение анода (вертикальный стальной зазем-литель).

Следовательно, в целом увеличение длины катода увеличило коррозию заведомо анода (стальной вертикальный заземлитель в грунте) и усилило катодные свойства электрода с промежуточным потенциалом.

Изменение длины электрода с промежуточным (горизонтальная металлическая сетка в грунте) практически не влияет на величину коррозионных токов заземляющей системы: происходит усиление анодных свойств анода и катодных свойств катода и элемента с промежуточным потенциалом.

Изменение длины анода (стальной вертикальный заземлитель в грунте) в два раза повлечет за собой увеличение анодного тока на 18 %, ослабит катодные свойства электрода с промежуточным потенциалом на 1,5 %, в то же время увеличит ток катода на 33 %.

Следовательно, в целом увеличение длины анода увеличило коррозию заведомо анода (стальной вертикальный заземлитель в грунте) и ослабило катодные свойства электрода с промежуточным потенциалом.

Влияние удельного сопротивления грунта на режимы работы электродов системы. При уменьшении удельного сопротивления грунта на величину менее 20 Омм (согласно ГОСТ 9.602-2005 -сильная коррозия), резко увеличиваются значения катодного и анодного токов.

Особенно сильное влияние отмечается при удельном сопротивлении грунта менее 5 Омм. Таким образом, чем ниже удельное сопротивление грунта, тем интенсивнее идет процесс коррозии, что находится в полном соответствии с ГОСТ 9.602-2005 (рисунок 2).

При увеличении удельного сопротивления грунта на величину более 20 Омм (средняя коррозия согласно ГОСТ 9.6022005) электрод с промежуточным потенциалом проявляет катодные свойства. В целом при увеличении удельного сопротивления грунта существенно снижается анодный ток стали в грунте (на 53 %).

При увеличении удельного сопротив- Рисунок 2 - Количественная оценка норм

ления грунта на величину более 50 Омм ГОСТ 9.602-2005

(слабая коррозия согласно ГОСТ 9.6022005) изменение анодного и катодного токов составило порядка 59 %, следовательно, при больших значениях удельного сопротивления процесс коррозии идет очень медленно, что находится в полном соответствии с ГОСТ 9.602-2005.

Проведенные по методике графоаналитического метода расчеты коррозионных токов при различных конструктивных изменениях заземляющих устройств позволили количественно оценить опасность коррозии и показали, что любые изменения конструкции заземляющей системы или условий, в которых она находится, влияют на протекание коррозионных процессов в ней. Данное обстоятельство необходимо учитывать при проектировании и строительстве различных объектов энергетики.

Список литературы

1. Демин, Ю. В. Обеспечение долговечности электросетевых материалов и конструкций в агрессивных средах [Текст] / Ю. В. Демин / Новосибирская гос. акад. вод. трансп. - Новосибирск, 1998.

2. Томашов, Н. Д. Теория коррозии и защита металлов / Н. Д. Томашов / АН СССР. - М., 1959. - 600 с.

3. Иванов, Г. В. Графоаналитический инженерный метод расчета коррозионных токов многоэлектродной системы [Текст] / Г. В. Иванов // Известия Томского политехн. ун-та/ Томский политехн. ун-т. - Томск, 2007. - № 2.- 310. - С. 81 - 84.

4. Демин, Ю. В. Обеспечение долговечности электросетевых конструкций энергосистем, водного и железнодорожного транспорта: Автореф. дис... докт. техн. наук / Ю. В. Демин. -Новосибирск, 2000. - 55 с.

5. Иоссель, Ю. Я. Математические методы расчета электрохимической коррозии и защиты металлов: Справочник [Текст] / Ю. Я. Иоссель, Г. Э. Кленов. - М.: Металлургия, 1984. - 271 с.

6. Карякин, Р. Н. Заземляющие устройства электроустановок [Текст] / Р. Н. Карякин. - М.: Энергосервис, 1998. - 376 с.

УДК 620.193.75

Ю. В. Демин, Д. С. Скотников, Г. В. Иванов

МАТЕМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКОВ КОРРОЗИИ И ПОТЕНЦИАЛОВ В ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Представлен математический метод расчета токов коррозии двух моделей заземляющих устройств -эквипотенциальной и неэквипотенциальной. Рассмотрена грунтовая и электрическая коррозия обеих моделей. Математический метод расчета величин коррозионных токов и потенциалов позволит оценить коррозионное состояние элементов заземляющей системы тяговой подстанции.

Заземляющие устройства (ЗУ) электроустановок эксплуатируются в различных грунто-во-климатических условиях. При этом они подвергаются воздействию грунтовой коррозии и электрокоррозии (воздействие блуждающих токов). Расчет величин коррозионных токов и потенциалов в ЗУ электроустановок необходим для оценки их коррозионного состояния, принятия необходимых мер защиты ЗУ при проектировании и эксплуатации [1].

Физической основой математического метода расчета величин токов и потенциалов коррозии является теория многоэлектродных электрохимических систем [1, 2]. Расчет работы каждого отдельного электрода многоэлектродной системы с любым количеством электродов аналитическим способом исходит из двух утверждений [2]:

если многоэлектродная гальваническая система действительно замкнута накоротко во внешней и внутренней цепи, то потенциал отдельных ее составляющих вследствие явления поляризации выравнивается около какого-то общего потенциала и0;

если многоэлектродная система находится в стационарном состоянии, т. е. в отдельных ее точках не происходит накопления зарядов во времени, то сумма всех катодных токов системы точно равна сумме всех анодных токов.

В основе математической модели лежит система нелинейных уравнений, связывающих значения электродных электрохимических потенциалов и коррозионных (стекающих и втекающих) токов линейных коррозионных систем (К^) [1].

В предлагаемом методе расчета приняты следующие допущения [2]:

1) в расчетной модели используется однородное строение грунта. Вместе с тем в методе