Научная статья на тему 'Анализ коррозионных процессов при изменениях в заземляющем устройстве тяговых подстанций'

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

CC BY
122
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТОКИ КОРРОЗИИ / CORROSION CURRENTS / ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО / GROUNDING DEVICE / ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ / TRACTION SUBSTATION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Дёмин Юрий Васильевич, Иванов Геннадий Викторович

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Дёмин Юрий Васильевич, Иванов Геннадий Викторович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE ANALYSIS OF CORROSION PROCESSES AT CHANGES IN THE GROUNDING STRUCTURE OF TRACTION SUBSTATIONS

Corrosion processes at various constructive changes of grounding system of traction substation are considered: construction of new cable lines, expansion of the territory of substation, etc. Calculation of corrosion processes of the grounding system consisting of three electrodes is carried out: steel in concrete, the metal gauze in soil, a steel vertical electrode in soil. Results of calculations are presented, the analysis of corrosion processes is made under various conditions.

Текст научной работы на тему «Анализ коррозионных процессов при изменениях в заземляющем устройстве тяговых подстанций»

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.