CC BY
17
Список литературы
1. Поздеев, В. В. Повышение степени защиты крупных железнодорожных узлов [Текст] /
B. В. Поздеев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. -№ 2 (2). - С. 92 - 97.
2. Манусов, В. 3. Исследование методов снижения несимметрии загрузки трехфазной сети на тяговых подстанциях скоростных железных дорог переменного тока [Текст] / В. 3. Манусов, П. В. Морозов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2012. - № 2 (10). - С. 87 - 94.
3. Карабанов, М. А. Снижение влияния системы тягового электроснабжения на электропитание нетяговых потребителей в моменты подключения преобразовательных агрегатов [Текст] / М. А. Карабанов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. -№ 2 (7). - С. 58 - 67.
4. ГОСТ 9.602-2005. Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии.- М.: Стандартинформ, 2006. - 59 с.
5. Волотковский, С. А. Защита подземных сооружений от электрокоррозии [Текст] /
C. А. Волотковский, Е. В. Василевский, Э. М. Гутман. - Киев: Наукова думка, 1964. - 132 с.
6. Тихонов, В. И. Выбросы случайных процессов [Текст] / В. И. Тихонов - М.: Наука, 1970. - 392 с.
7. Руководство по проектированию и защите от коррозии подземных металлических со -оружений связи [Текст]. - М.: Связь, 1978. - 216 с.
8. Правила защиты устройств проводной связи от влияния тяговой сети электрических железных дорог постоянного тока. МПС СССР [Текст]. - М.: Транспорт, 1969. - Ч. 1. - 44 с.
9. Ерита, А. М. Параметры изолированного цилиндрического проводника в однородной среде [Текст] / А. М. Ерита, В. А. Кандаев, К. В. Авдеева // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 3 (3). - С. 50 - 59.
10. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока [Текст] - М.: Транспорт, 1989. - 134 с.
УДК 621.316.97
В. А. Кандаев, В. А. Мухин, А. О. Сырецкая
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Приведены аналитические зависимости для определения перенапряжения на границе раздела «металл -электролит», экспериментальная проверка выполненного расчета поляризации реального заземляющего устройства.
При расчете распределения электрических величин на подземном сооружении необходимо учитывать поляризацию металлических элементов сооружения под действием блуждающих токов [1]. Поляризация, или отклонение потенциала сооружения от стационарного значения, вызвана изменением структуры границы раздела «металл - грунт» и протеканием на границе раздела электрохимических и химических реакций. Поляризация может быть описана поляризационной характеристикой, которая представляет собой зависимость смещения потенциала металлического сооружения от плотности стекающего тока. В данной работе рассмотрен способ расчета поляризационной характеристики подземного металлического неизолированного сооружения.
Как известно [2], под действием внешнего потенциала происходит перемещение электронов через границу раздела «металл - электролит». Поскольку электролит не обладает электронной проводимостью, на границе раздела должно присутствовать вещество - деполяризатор (окислитель), которое будет ассимилировать электроны. Поэтому прохождение тока через границу раздела «металл - электролит» происходит в несколько стадий: подвод деполяризатора к границе раздела, процесс восстановления и освобождение поверхности металла от восстановленного вещества. Наиболее медленный из этих процессов определяет общую скорость перехода электронов между фазами и называется лимитирующей стадией реакции. В грунтовой воде присутствуют различные окислители, и возможность протекания реакции восстановления каждого из них связана с величиной потенциала подземного сооружения.
Исследования катодной поляризации металлов в электролитах приведены в фундаментальных работах по электрохимии и коррозии металлов [2 - 4]. В работах [3] и [4] рассмотрена кинетика восстановления водорода и кислорода на границе раздела «металл - электролит», приведены аналитические зависимости поляризации металлических электродов от плотности тока. Кроме того, работа [4] содержит экспериментальные данные, хорошо согласующиеся с теоретическим описанием катодного восстановления окислителей. Стоит отметить также, что экспериментальные данные для свежезачищенных и уже подвергшихся коррозии электродов не имеют принципиальных расхождений в «спокойном» электролите, что дает возможность при расчете поляризации электрода не учитывать степень его коррозион-ного разрушения [4].
Из литературных источников [2 - 4] известно, что при катодной поляризации металла в качестве основного деполяризатора на границе раздела для нейтральных и слабощелочных сред выступают ионы водорода и молекулярный кислород, растворенный в воде, поэтому в дальнейшем примем, что основную часть электронов на границе раздела ассимилируют кислород и вода.
Под воздействием блуждающих токов через границу раздела начинает протекать ток за счет восстановления кислорода в поровом растворе, прилегающем к сооружению. Одновременно на границе раздела происходит образование двойного слоя, поэтому токовая зависимость перенапряжения разряда кислорода ц(1к) имеет сложный вид, но может быть упрощена для двух частных случаев [2]:
Я • Т
Я • Тк ^ < — Ло2 =—- -Для Г ; (!)
Я • Т
2 п •
2 Я • Т л
Л02 =-^Г1п
2 п • г
г. и
V 1о у
Ло2 >■
для 2 г , (2)
где Я - универсальная газовая постоянная, Дж/моль-К; Т - абсолютная температура, К; п - количество электронов, участвующих в реакции; Г - постоянная Фарадея, Кл/моль; ¡к - плотность катодного тока, А/м ;
¡о - плотность тока обмена кислорода на железном электроде, А/м , ¡0 « Г • к0^ • С0^а; к02 - константа скорости катодной реакции восстановления кислорода на железном электроде, м/с;
С0г - концентрация кислорода в среде, моль/м3; а - коэффициент переноса, а = 0,5.
Восстановление кислорода на границе раздела можно описать известным уравнением:
02 + 2Н20 + 4е <-> 40Н". (3)
Реакция (3) протекает в несколько стадий [5], и скорость реакции равна скорости наиболее медленной из них. Так как на каждой из стадий происходит присоединение не более одного электрона, п = 1. В соответствии с формулой (2) зависимость ц0 (¡к) примет вид кривой
1 на рисунке 1.
1к
Рисунок 1 - Зависимость перенапряжения на границе раздела от плотности катодного тока
При протекании реакции (3) уменьшается концентрация кислорода на границе раздела, что приводит к возникновению диффузионных процессов. В случае если градиент концентрации кислорода изменяется медленно, диффузия может считаться квазистационарной и будет описываться первым законом Фика [3].
С возрастанием блуждающих токов количество электронов, которые необходимо ассимилировать, увеличивается и ток через границу раздела будет определяться стадией диффузии кислорода из глубины грунта к поверхности электрода, или стадией массопереноса. Токовая зависимость перенапряжения стадии массопереноса Дф— (¿к) имеет вид кривой 2 на
рисунке 1 и описывается уравнением Нернста:
л * • Г1
ЛФО = 1п
2 п • г
1
I
(4)
к У
где п - количество электронов, ассимилирующихся одной молекулой кислорода в реакции (3), п = 4;
. . 2 т Б • п' • Г • С0 г.-.
1к - плотность предельного катодного тока, А/м , 1к =-— [4];
5
Б - коэффициент диффузии кислорода, м /с;
5 - толщина диффузного слоя границы раздела, м;
Помимо диффузионного тока в электролите под действием электрического поля может возникнуть миграционный ток, однако в реакции восстановления на границе раздела (I) окислителем выступает молекулярный кислород, который не является ионом, и поэтому не подвержен силовому влиянию электрического поля.
Поляризационная характеристика подземного сооружения будет описываться уравнением (4) до достижения потенциала фн, при котором на границе раздела становится возможен процесс восстановления водорода. Данный процесс в нейтральной и слабощелочной среде может быть описан уравнением:
2Н— + 2е
±Н2 + 20Н ~
(5)
Скорость восстановления водорода выше скорости диффузии кислорода, поэтому в
дальнейшем поляризационная кривая будет определяться процессом (5) и без учета падения напряжения в диффузной части двойного слоя может быть описана уравнением Фольмера [2]:
2Я• Тл Г
Лгг+ =-1п
Н П • Г
(6)
. г
V ¡0 у
где п" - количество электронов, присоединяемых ионом водорода;
¡о - плотность тока обмена водорода на железном электроде, А/м2, ¡0 « Г • кн+ • Сн+а ; С + - концентрация ионов Н+ в среде, моль/м ;
кн+ - константа скорости восстановления водорода на железном электроде, м/с; а - коэффициент переноса, а = 0,5.
Процесс восстановления водорода также протекает в несколько стадий [3], количество электронов, присоединяемых на каждой стадии, не более одного, поэтому п" = 1.
Соотношения (1), (2), (4) и (6) могут быть использованы для нахождения поляризационной характеристики подземного металлического сооружения, однако при этом необходимо определить значения входящих в них параметров.
Температура грунта зависит от температуры воздуха, типа грунта и расстояния от поверхности земли. Например, в мае естественная средняя месячная температура почвы на юге
о
Омской области на глубине 0,4 м от поверхности земли составляет 8,7 С, на глубине 0,8 м -
5,1 °С, а на глубине 1,6 м - всего 0,9 °С. Поэтому для инженерных расчетов температуру можно принять равной средней температуре почвы в летний период на глубине 0,5 - 0,7 м,
о
что составляет 5 - 15 С. Константы скорости восстановления кислорода ко и водорода кн также могут быть заданы постоянными значениями, соответствующими средней температуре в летний период [6]. Для определения С + в полевых условиях может быть применен любой
из кислотно-основных индикаторов или универсальный индикатор. Концентрация кислорода в грунте С0 на глубине 0,5 - 0,7 м слабо зависит от погодных условий и меняется в диапазоне значений 10-4 - 10-5 моль/л, для расчетов С0 может быть определена в соответствии с типом грунта по методике, учитывающей пористость, влажность грунта и растворимость кислорода в поровом растворе [7].
Толщина диффузного слоя на границе раздела 5, коэффициент диффузии кислорода Б зависят от типа грунта и его влажности ю, и поскольку для расчета предельного катодного тока необходимо отношение Б/5, можно воспользоваться экспериментальными данными по определению Б/5(ю) [7].
Общая поляризационная характеристика подземного сооружения -Афрез(/к) представляет собой результирующую кривую 4 на рисунке 1. До значения -Афрез = 0,025 В график -фрез(4) совпадает с прямой 1' на рисунке 1, в интервале 0,025 В < -Афрез < -Афрез(^) примет вид кривой 1 согласно соотношениям (1), (2). В точке А происходит смена замедленной стадии катодного процесса, и в интервале -Дф(Л) < -Афрез < -Дф(б) поляризация будет определяться соотношением [4]:
-Чез (¡к) = П(Ч ) + (-8А^(/к)). (7)
При достижении потенциалом сооружения значения фя на границе раздела начинается процесс восстановления водорода, и в точке В скорость восстановления водорода становится равной скорости диффузии кислорода, поэтому для значений -Афрез> -Дфрез(в) поляризационная характеристика сооружения будет приближаться к кривой 3. Такой вид поляризационная характеристика сохранит для всех значений плотности тока, при которых не происходит
= 1
изменения физических свойств границы раздела, таких как иссушение грунта на границе раздела из-за сильного нагревания подземного сооружения или появление нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) грунта при критических значениях напряженности электрического поля [8].
Построенная по формулам (1), (2), (4), (6) и (7) теоретическая поляризационная кривая в точках А и В будет иметь перегибы, однако у реальной кривой поляризации подземного сооружения такие перегибы сглажены, поскольку смена замедленной стадии катодного процесса происходит постепенно. В окрестности точки А скорости диффузии и восстановления кислорода близки, а полный ток через границу раздела будет определяться наиболее медленным из процессов, поэтому в реальной поляризационной характеристике Дф(^)расчет < Дф(^)Реал. В окрестности точки В становятся близкими скорости диффузии кислорода и восстановления водорода, и поскольку они протекают независимо друг от друга, полный ток через границу раздела будет являться суммарным для этих процессов, Дф(б)расчет > Аф(5)реал.
По приведенным соотношениям был выполнен расчет поляризационной характеристики одиночного горизонтального электрода, заданной кусочно-непрерывной функцией. В качестве констант скоростей реакций восстановления кислорода и водорода использованы значения, приведенные в работе [6], коэффициенты уравнений (1), (2), (4) и (6) приведены в таблице. Параметры среды, заданные в расчете, соответствуют суглинку средней увлажненности и пористости для средней температуры в летний период на территории Омской области.
Параметры среды для расчета поляризации горизонтального электрода
Параметры среды Значение параметра среды Единица измерения параметра
Температура грунта Концентрация кислорода в грунте рН грунта на границе раздела Отношение коэффициента диффузии кислорода к толщине диффузного слоя 288 1,1 8 5,28-10"9 К моль/м3 м2/с
На рисунке 2 представлена поляризационная кривая стального электрода, рассчитанная по формулам (1), (2), (4) и (6) со значениями, приведенными в таблице.
1
В
I 0,6
^ У расчет
0,2
0 л 2
0 0,2 0,4 0,6 А/м2 1
¡к -►
Рисунок 2 - Расчетная поляризационная характеристика стального электрода
Для экспериментального подтверждения результатов расчета поляризации электрода в грунте был изготовлен одиночный горизонтальный заземлитель с размерами 50*4*5000 мм, помещенный на глубине 0,7 м от поверхности земли. Схема определения токовой зависимости исследуемого заземлителя приведена на рисунке 3.
Л О 2 + ( - 8 Дф 0 2)
л I
/
Л о 2
Измерения производились для катодной поляризации заземлителя. Экспериментальная поляризационная характеристика заземлителя, представленная на рисунке 4, была получена по результатам измерения падения напряжения на заземлителе Ц/зу и плотности тока через заземлитель ¡к:
- А^эксп ^к ) = иЗУ ^к ) - Яраст • ¡к , (8)
где Яраст - сопротивление растеканию ЗУ, определенное по методике [9].
Рисунок 3 - Схема определения токовой зависимости сопротивления заземлителя: 1 - источник питания, 2 - лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), 3 - диодный мосг, 4 - выпрямительная емкость, 5 - шунт, 6 - заземлитель, 7, 8 - вольтметры постоянного напряжения, 9 - потенциальный электрод, 10 - токовый электрод
1 В
0,6 0,4 0,2 0
-Аср расчет "Афэк
0,2
0,4
1к
0,6
А/м2
Рисунок 4 - Поляризационная характеристика стальной полосы в грунте
Как видно из рисунков 2 и 4, расхождения экспериментальных и расчетных поляризационных характеристик не превышает 10 %, что позволяет применять предложенный метод для определения сопротивления реальных подземных сооружений с учетом границы раздела параметров «металл - грунт» [10].
Список литературы
1. Ерита, А. М. Параметры изолированного цилиндрического проводника в однородной среде [Текст] / А. М. Ерита, В. А. Кандаев, К. В. Авдеева // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 3. - С. 50 - 58.
2. Дамаскин, Б. Б. Электрохимия: учебное пособие [Текст] / Б. Б. Дамаскин, О. А. Пет-рий. - М.: Высшая школа, 1987. - 295 с.
№ 3(1 2012
0
1
3. Фрумкин, А. Н. Избранные труды: электродные процессы [Текст] / А. Н. Фрумкин. -М.: Наука, 1987. - 336 с.
4. Томашов, Н. Д. Коррозия металлов с кислородной деполяризацией [Текст] / Н. Д. То-машов / АН СССР. М.-Л., 1947. - 259 с.
5. Протченко, А. В. Схема замещения коррозионной ячейки железобетонной опоры контактной сети [Текст] / А. В. Протченко, В. А. Мухин // Известия Транссиба / Омский гос. унт путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 3. - С. 67 - 73.
6. Антропов, Л. И. Теоретическая электрохимия: Учебник [Текст] / Л. И. Антропов. - М.: Высшая шола, 1984. - 519 с.
7. Хижняков, В. И. К оценке содержания кислорода в грунте по значению предельного катодного тока на платиновом электроде [Текст] / В. И. Хижняков, Н. П. Глазов, О. И. На-лесник // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. - 1980. - № 12. - С. 2 - 4.
8. Рябкова, Е. Я. Расчет заземляющих устройств (заземления в установках высокого напряжения) [Текст] / Е. Я. Рябков / МЭИ. - М., 1973. - 128 с.
9. Кандаев, В. А. Поле точечного источника вблизи системы проводников, расположенных на поверхности земли [Текст] / В. А. Кандаев, Л. А. Карпова, К. В. Авдеева // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 1. - С. 50 - 59.
10. Кандаев, В. А. Методика расчета заземляющего устройства с учетом сопротивления границы раздела «металл - грунт» [Текст] / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А. О. Сырецкая // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 2. - С. 69 - 73.
УДК 621.331:621.311.4:621.314.5
О. О. Комякова, А. А. Комяков, А. С. Вильгельм
АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ВОЗВРАЩАЕМОЙ ИНВЕРТОРАМИ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В СЕТЬ ЭНЕРГОСИСТЕМ
В статье выполнен анализ качества электрической энергии, возвращаемой двенадцатипулъсовым выпря-мителъно-инверторным преобразователем с последовательным соединением шестипулъсовых мостовых секций, работающим в инверторном режиме, при несимметричных и несинусоидалъных режимах работы питающей энергосистемы.
В соответствии с «Энергетической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года» задача снижения затрат на потребляемые энергоресурсы является одной из наиболее актуальных. Существенной их составляющей являются затраты на оплату электроэнергии, расходуемой на тягу поездов. Одним из направлений повышения эффективности использования этого вида энергии является применение рекуперативного торможения электроподвижного состава [1, 2].
Возврат энергии рекуперации и, следовательно, процесс электрического торможения возможеы только при одновременном потреблении энергии. Таким образом, величина рекуперируемой энергии зависит главным образом от наличия приемников энергии, их характеристик и характеристик электроподвижного состава [3].
На однопутных и многопутных участках энергия рекуперации в некоторых случаях может превышать величину, которую можно реализовать на электро подвижном составе, находящемся в режиме тяги. В этих случаях появляется избыточная энергия рекуперации.
Тип, мощность и размещение приемников избыточной энергии рекуперации рациональным образом выбираются на основании величин абсолютной и избыточной энергии рекуперации. Исходными положениями при этом принимаются следующие:
- мощность и расположение приемников избыточной энергии необходимо выбирать так,
