CC BY
7УДК 620.193
ДИАГНОСТИКА, ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС НЕКОТОРЫХ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ
DIAGNOSTICS, RELIABILITY IMPROVEMENT AND A RESIDUAL RESOURCE OF SOME PROTECTION SYSTEMS
И. С. Сухачев, О. В. Смирнов, С. В. Воробьева, Т. В. Михалева
I. S. Sukhachev, O. V. Smirnov, S. V. Vorobjeva, T. V. Mikhaleva
Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень
Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург
Ключевые слова: молниезащита; заземление Key words: lightning guard; grounding
При проектировании, строительстве и эксплуатации зданий, сооружений и коммуникаций промышленного назначения, включая нефтегазохранилища, компрессорные станции, магистральные трубопроводы, системы электроэнергетики, инфраструктуру осваиваемых территорий, должны быть предусмотрены мероприятия по защите от прямых ударов молнии, перенапряжений, защите от других вторичных воздействий. Особенно актуальны такие проблемы при реализации мероприятий и технологий, связанных с предотвращением загрязнений и очисткой контактных поверхностей нефтегазового оборудования [1].
Объектами защиты могут быть обычные и специальные объекты с ограниченной опасностью, с опасностью для непосредственного окружения и для экологии. К специальным объектам относятся предприятия, содержащие электростанции и пожароопасные производства; нефтеперерабатывающие предприятия и заправочные станции; химические заводы, атомные электростанции, биохимические фабрики и лаборатории. При прямых ударах молнии в наземные объекты и при межоблачных разрядах молнии в упомянутых объектах могут возникнуть пожары, взрывы, нарушения технологических процессов, выход из строя силового оборудования, электронных устройств управления и регулирования, нарушения экологической обстановки, что сопровождается ущербами, исчисляемыми миллионами долларов или евро.
Молниеприемник обязательно заземляют, и заземлитель формируется из одного или нескольких подземных заземляющих электродов (вертикальных или горизонтальных).
При удельном сопротивлении грунта 100 Ом-м ток молнии растекается по его значительному объему. При ударе молнии в стержневой молниеотвод, заземлитель которого выполнен в виде полусферы диаметром d = 0,5 м, ток молнии I будет симметрично стекать с поверхности металлической полусферы. Для средней по силе молнии с током 3-104 А плотность тока шагового напряжения составит примерно 7,6-104 А/м2.
Даже при грунте с р ~ 100 Ом-м величина шагового напряжения составляет 7,6^ 105 В/м, и по мере удаления от заземлителя напряженность электрического поля начинает быстро снижаться и уже на расстоянии 10 м приблизительно равна 5- 103В/м. Время действия высокого напряжения, как и длительность тока молнии, составляет 0,1 миллисекунды.
Опасное для жизни шаговое напряжение может сохраняться на достаточно большом расстоянии от точки удара молнии. Заземлители, как правило, монтируют из протяженных шин или стержней. Величина их электрического поля снижается намного медленнее.
Защита при помощи молниеотводов может быть шунтирована поверхностью земли или ее толщей при определенной влажности последней. Когда напряженность электрического поля увеличивается до 1 МВ/м, в толще грунта, который представляет собой дисперсную систему, и где находится заземление, начинается ионизация. Эти процессы связаны с физической и коллоидной химией, с электролитическими и поверхностными явлениями, теоретическими основами электротехники.
Как правило, дисперсии, в том числе представленные грунтами и водными системами, гетерогенны, термодинамически и агрегативно неустойчивы, что и обусловливается их физико-химическими и молекулярно-кинетическими свойствами. В силу опре-
:-V» 1, 2015
Нефть и газ
105
деленного соотношения сил сцепления и сил отталкивания, воздействия коагулянтов или внешних силовых полей агрегаты и коллоидные частицы могут быть устойчивы к коагуляции или, наоборот, коагулировать и образовывать флокуляционные структуры. Воздействие разности потенциалов начинает использоваться при устройстве заземления или его реконструкции, когда восстанавливают исходное или повышенное значение электропроводимости системы. Причиной неустойчивости дисперсной системы также является большая положительная свободная поверхностная энергия, которую система стремится уменьшить [2].
Понятия агрегативной (способность сопротивляться образованию агрегатов) и се-диментационной (способность к расслаиванию) устойчивости актуальны для понимания процессов, происходящих под действием внешнего электрического поля, генерирующего электрический разряд в атмосфере или коронный разряд ЛЭП, и под действием собственного поля поляризованных внешним полем полидисперсных частиц грунта, а также полем ветвей искрового разряда. В определенных условиях последний приводит к росту плазменного канала, который скользит вдоль поверхности грунта, слегка проникая внутрь него и образуя борозды в грунте. Каналы, а их может быть несколько (рис. 1), могут продвигаться от места удара молнии на десятки метров, и их надо рассматривать как продолжение молнии вдоль поверхности земли или в ее толще. Ток в каналах составляет десятки процентов от тока молнии, а температура — выше 6 000 0С. При контакте такого канала с зоной протечек топлива на нефтеналивной эстакаде или с подземным кабелем, например, телефонным или управляющим микроэлектронной системой, естественны соответствующие последствия.
Механизм формирования искрового канала вдоль проводящих поверхностей отличается тем, что обеспечивает развитие канала в слабых полях с весьма высокими скоростями.
Рисунок. Искровые каналы в грунте при растекании тока молнии [3]
Наблюдаются случаи попадания ветвей молнии в коммуникации или заземлитель объекта, защищенного молниеотводами. Когда традиционный путь сверху перекрыт, молния прорывается к объекту снизу, прокладывая обходной канал в земле, формируя из ее дисперсных частиц мостики проводимости. Есть основания считать, что контакт канала скользящего разряда с горючими материалами (как, возможно, это было в Кон-де) — не менее частая причина пожара, чем прямой удар молнии.
При нахождении обслуживающего персонала или других работников предприятия в зоне электрического поля, генерируемого искровыми каналами, весьма высока вероятность летального исхода.
Аналогично росту цепочек из частиц загрязнений в трансформаторном масле при межвитковых замыканиях в газовлажной дисперсионной среде грунта из его частиц могут формироваться цепочки проводимости некоторых ветвей разряда.
Динамика электропроводящих свойств грунта меняется в зависимости от климатических условий региона, что необходимо учитывать при диагностике и прогнозе оста-
106
Нефть и газ 1, 2015
точного ресурса молниезащиты и заземления. Это касается и заземления коронирую-щих проводов при постоянном напряжении и заземленных тросов [4].
Одной из причин нарушения общего нормативного сопротивления устройств заземления и активной молниезащиты, в том числе по условиям безопасности, может быть большое сопротивление контактов заземляющей цепи, которое увеличивается в процессе эксплуатации. Для приборных систем контроля сложных измерительных и автоматических комплексов можно выделить некоторые общие и характерные свойства [5]:
• разнообразные функциональные и схемные решения как в информационных датчиках генерирования, так и усиления сигнала [6];
• применение в одной электросистеме различных напряжений для приборов диагностики и, например, процессов и аппаратов природоохранных технологий — электрофильтров, аппаратов ЭЛОУ, систем электрообработки дисперсий с разными средами и т. д;
• низкие значения тока первичной информации при оценке параметров среды и ресурсов, например, в аэроионометрах, дозиметрах, газоанализаторах и т. д.;
• необходимость повышения надежности и помехоустойчивости;
• использование микропроцессорной техники.
К факторам, повышающим эксплуатационные свойства объектов информатизации, управления и автоматики в нефтегазодобыче и переработке, включая измерительные системы, относится надежно выполненное заземление, что прямо или косвенно повышает надежность работы систем и повышает достоверность получаемой информации.
Проблема надежности и безотказности заземления с учетом современных требований помехоустойчивости в комплексе с электробезопасностью возникла сравнительно недавно. Важными являются данные о полном сопротивлении заземляющей цепи, величинах электрических сопротивлений контакта между корпусом оборудования и заземляющей шиной, что позволило бы наметить конкретные пути повышения надежности и качества заземлений оборудования и схем нефтегазового оборудования, а следовательно, и продления их остаточного ресурса.
Во всех случаях, будь то заземление через конструкцию или заземление непосредственно проводом, как, например, для переносных приборов (подчеркивается в ПЭУ), необходимо обеспечение надежного присоединения. В исследовании А. А. Капустина [5] проводилось изучение признаков, характеризующих состояние цепей между заземляющей шиной и корпусом оборудования на машиностроительных предприятиях и в лаборатории им А. А. Смурова ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина). Результаты диагностики, включая измерения, общее число которых доходило до 10 000, позволили предсказать возможные отклонения и предотвратить нарушения нормального режима работы заземления. Были сделаны следующие выводы [5].
Относительно большой процент разрывов цепи при вводе электрооборудования в эксплуатацию объясняется дефектами монтажа. Опыт показывает, что при устранении грубых дефектов монтажа (не поджатые гайки и т. д.) можно довести число контактов, имеющих сопротивление менее 0,1 Ом, практически до 94-95 % от общего числа контактов. Контакты в конструкциях на сравнительно большом расстоянии от заземляемого объекта составляют 5-6 %. Уменьшение сопротивления всей заземляющей цепи в этом случае может быть достигнуто при повторных или многократных заземлениях конструкции.
При относительно больших значениях сопротивлений контактов и заземляющей цепи в целом в схемах может иметь место нарушение эквипотенциальных нулевых зон, и такое нарушение в процессе эксплуатации может увеличиться. Возможно, именно этим можно объяснить ряд отказов в работе измерительных цепей и цепей управления электрооборудования транспортных средств, в элементах электроснабжения вахтовых поселков, приборов профессионального отбора, среды, информации, аппаратов природоохранных и нефтехимических технологий.
Перенапряжения, вызванные, как правило, естественными причинами, влекут за собой структурообразование из частиц материала электродов заземления и высокодис-
1, 2015
Нефть и газ
107
персных частиц грунта при наличии влаги как дисперсионной среды, что также необходимо учитывать при определении общего сопротивления анодной подсистемы.
Диагностика состояния контактов заземляющей цепи позволяет повысить надежность работы природоохранных электротехнологий, процессов и электрических аппаратов и оценить их остаточный ресурс.
Таким образом, при диагностике, идентификации надежности, прогнозировании остаточного ресурса составляющих различных систем необходимо измерение сопротивления контактов и распознавание разрывов заземляющих устройств, учет характеристик заземлителей дисперсного грунта, устранение дефектов строительно-монтажных работ.
При разработке программ автоматического расчета молниезащиты целесообразно учитывать физико-химические и электропроводящие характеристики грунтов, представляющих собой многофазные дисперсные системы.
Список литературы
1. Смирнов О. В., Воробьева С. В., Смирнова В. О. Концепции предотвращения загрязнений контактных поверхностей газового оборудования // Газовая промышленность. - 2014. - № 7. - С. 92-96.
2. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1975. - 512 с.
3. Базелян Э. М., Райзер Ю. П. Физика молнии и молниезащиты. -М.: Физматлит, 2001. - 320 с.
4. Попков В. И. Коронный разряд и линии сверхвысокого напряжения. Избранные труды. - М.: Наука, 1990.
5. Капустин А. А. Заземление как средство надежной работы приборов среды, пространства и биоинформации. — «Труды ЛИАП», вып. 51, 1966.-С. 35-38.
6. Смирнов О. В., Атанов В. А. О некоторых перспективных разработках в области измерительной техники // Известия вузов. Нефть и Газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2013, № 6. - С. 107-110.
Сведения об авторах Information about the authors
Сухачев Илья Сергеевич, аспирант кафедры «Электро- Sukhachev I. S., postgraduate of the chair «Elec-
энергетика», Тюменский государственный нефтегазовый troenergetics», Tyumen State Oil and Gas University,
университет, г. Тюмень, тел. 89829210000, e-mail: phone: 89829210000, e-mail: ilya@suhachev.com ilya@suhachev. com
Смирнов Олег Владимирович, д. т. н., профессор ка- Smirnov O. V., doctor of Technical Sciences, pro-
федры «Электроэнергетика», Тюменский государственный fessor of the chair «Electroenergetics», Tyumen State
нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 89129275192, Oil and Gas University, phone: 89129275192, e-mail:
e-mail: svorobeva@mail.ru oleg_smirniv_1940@mail.ru
Воробьева Сима Васильевна, д. т. н., профессор кафед- Vorobjeva S. V., Doctor of Science in Engineering,
ры «Техносферная безопасность», Тюменский государствен- professor of the chair «Technosphere Safety», Tyumen
ный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. State Oil and Gas University, phone: 89129275191, e-
89129275191, e-mail: svorobeva@mail.ru mail: svorobeva@mail.ru
Михалева Татьяна Викторовна, аспирант кафедры Mihaleva T. V., postgraduate of the chair «Applied
«Прикладная математика процессов управления», Санкт- mathematics of control processes», Saint-Petersburg
Петербургский государственный университет,г. Санкт- Stat:e Universily, phone: 89219703273, e-mail.' izmastar-
Петербург, тел. 89219703273, e-mail: izmastarshaya@ya.ru shayo@ya.ru
