Совершенствование методов расчета электромагнитных характеристик естественных заземлителей электроэнергетических объектов

Актуальность темы

диссертации.

Согласно «Правилам устройства электроустановок» (ПУЭ) и другим нормативным документам (ГОСТ Р 50 571.10−96, ГОСТ 12.1.038−82) при разработке и создании систем заземления энергетических и промышленных объектов рекомендуется использование совместно с искусственными заземлителями естественных заземлителей, среди которых следует специально отметить металлические трубопроводы, обсадные трубы скважин, оболочки кабелей и т. п. объекты, характеризуемые значительной длиной и существенным поперечным размером.

В ряде случаев они образуют единую систему, а такие объекты, как трубопроводы могут иметь по длине участки, на которых осуществляется непрерывный контакт с заземляющей средой, и участки, где контакт с землей имеет регулярный, но прерывистый характер через опоры или стойки. Аналогичная ситуация характерна для прокладки электрических кабелей по эстакадам и в кабельных каналах.

Аналогичным образом формулируются в «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» (Утверждено Приказом Министерства энергетики России от 30 июня 2003 г. N 280) рекомендации по совместному использованию искусственных и естественных заземлителей с дополнительными указаниями по объединению разделенных по технологическим соображениям заземлителей с помощью системы уравнивания потенциалов (ПУЭ п. 1.7.110).

Использование в качестве естественных заземлителей трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов и смесей запрещено ПУЭ, однако указанные ограничения не исключают необходимости присоединения таких трубопроводов к существующим заземляющим устройствам в целях уравнивания потенциалов, что приводит на практике к протеканию по трубопроводам токов, появлению на них высоких потенциалов, искрению, электрическим разрядам и другим пожаро — и взрывоопасным проявлениям электричества.

Необходимо также указать на опасные ситуации, обусловленные грозовой деятельностью (прямые удары молнии и индукционные наводки), авариями в электрических системах и цепях, работой молниеотводов и промышленных заземлителей, падением проводов воздушных линий электропередач (далее ВЛЭП) на трубопроводы наружной прокладки и рядом других причин, связанных с иными неконтролируемыми проявлениями электромагнитной энергии. Следствиями указанных событий в системах заземления и присоединенных к ним трубопроводах являются следующие основные режимы:

• режим синусоидальных токов и напряжений, характерный для аварийного контактирования трубопроводов и заземлителей с элементами электрических сетей при совместной прокладке, пробоях и механических повреждениях электрических кабелей, обрывах проводов ВЛЭП и их падении на трубопроводы и т. д.;

• импульсный режим, характерный для различных проявлений грозовой деятельности: удары молний в трубопроводы, индукционные наводки при грозовых разрядах в землю и соседствующие с трубоцроводами объекты, работа молниеотводов и связанных с ними заземляющих систем.

Таким образом, современные заземляющие системы, относительно входящих в них естественных заземлителей трубопроводного типа, независимо от назначения последних, являются, во-первых, системой защиты от опасных проявлений электричества, когда рассеивают электромагнитную энергию нештатных режимов и событий на трубопроводных участках, и, во-вторых, когда включают в себя трубопроводы как рабочей элемент, совершенствуют свои функциональные свойства.

Недостаточно полный учет заземляющих свойств естественных заземлителей трубопроводного типа специального назначения (газопроводов и газораспределительных систем) при расчете характеристик является в ряде случаев причиной аварий с тяжелыми социальными и экономическими последствиями. По статистике промышленных аварий, официально публикуемой Госгортехнадзором России, около 80% разрывов газопроводов сопровождаются пожарамив распределенных газопроводах воспламенением сопровождаются 20% утечек, в 12% случаев происходит взрыв.

В то же время в соответствии со «Сводом правил по проектированию и строительству: проектирование и строительство газопроводов из металлических труб» 27.05.2004, разработанным специалистами ОАО «Гипро-НИИгаз», АО «ВНИИСТ», ОАО «МосгазНИИпроект», ОИ «Омскгазтех-нология», АКХ им. Памфилова, Госгортехнадзора России, Госстроя России и ряда газораспределительных хозяйств России при координации ЗАО «Полимергаз», согласованным с Госгортехнадзора России (письмо от 16.06.2000 г. № 03−35/240 и ГУГПС МЧС России, письмо от 20.06.2000 г. № 20/2.2/2229) при рассмотрении рекомендаций по прокладке газопроводов никак не рассматриваются вопросы возникновения в трубах и других элементах газопроводов электрических напряжений, потенциалов, токов, являющихся во многих случаях причиной пожаров и взрывов.

В этой связи представляется необходимым иметь представление о газораспределительных сетях как об электрических цепях, и возможности их использования в качестве естественных заземлителей, для чего надо определить:

• во-первых, электрические параметры трубопроводов;

• во-вторых, разработать методику расчета или хотя бы оценок значений возникающих напряжений, потенциалов, токов и их распределений в схемах газоснабжения и газопередачи;

• в-третьих, установить пороговые по условиям пожаро — и взры-воопасности электрические характеристики токов и напряжений газового оборудования;

• в-четвертых, разработать систему мероприятий по защите от опасных проявлений электричества в системах газоснабжения, т. е. в целом решить задачу электромагнитной совместимости газового оборудования, схем газоснабжения и газораспределения с системами электроснабжения и другими методами использования энергии.

Следует также оценить влияние на газопроводы и газораспределительное оборудование грозовой деятельности (прямые удары молний и индукционные наводки), аварий в электрических системах и цепях, работы молниеотводов и промышленных заземлителей, падение проводов ВЛЭП на газопроводы и ряд других ситуаций. Примерами таких аварий являются следующие события:

• 21.07.2005 г. в деревне Рузино Солнечногорского района Московской области в результате попадания тока молнии на территорию шкафного распределительного пункта (ШРП) во время грозы и утечки газа из-под болта изолирующего соединения произошло возгорание ШРП на газопроводе высокого давления диаметром 80 мм;

• 04.06.2006 г. в деревне Ложки Солнечногорского района Московской области на газопроводе высокого давления диаметров 150 мм произошло возгорание в изолирующем фланце при ударе молнии;

• 04.09.2006 г. в поселке Рылеево города Бронницы Раменского района Московской области на газопроводе высокого давления диаметром 250 мм в результате попадания разряда молнии в опору ЛЭП через хомут крепления укосины опоры и систему заземления электрический разряд попал на газопровод, что привело к его пробою;

• 06.09.2006 г. в г. Челябинск на улице Б. Хмельницкого, 10 при замыкании оголенного электрического кабеля возник пожар на газопроводе низкого давления диаметром 40 мм, на теле трубы возникло сквозное отверстие.

Ряд аналогичных примеров можно продолжить, сказанное относится и к трубопроводам другого назначения (воды, горючих жидкостей, пневматической почты и т. д.).

Параметры и характеристики наиболее распространенных элементов ЗС — протяженных стержневых заземлителей и скважинного протяженного заземлителя рассчитаны в диссертационной работе Ю. А. Киселевой [3]. Предложенный там метод расчета стержневого заземлителя разработан при использовании допущения Ь"г3, где Ь — величина заглубления, г3 — радиус заземлителя, т. е. при Ь ~ г3, что характерно для трубопроводов, проложенных в грунте вблизи границы раздела воздух — грунт, он позволяет получить лишь оценочные результаты. А так как метод разрабатывался для исследования волновых процессов в однородных заземлителях и грунтах, затруднительным является его применение в задачах с регулярными поперечными утечками, неоднородными средами и параметрами Ь и г3 изменяющимися по длине заземлителя.

Метод, предложенный для исследования режимов работы скважин-ных заземлителей, позволяет учесть сложную структуру грунта, но, являясь сугубо, специфичным, неприменим для расчетов трубопроводных участков заземляющих систем параллельных границе раздела воздух — грунт.

3].

Таким образом, относительно решения проблемы разработки и исследования режимов функционирования, заземляющих систем энергетических и иных объектов необходимо констатировать следующее:

• согласно «Правилам устройства электроустановок», «Инструкции по устройству молниезащиты» и другим нормативным документам к системе искусственных заземлителей рекомендуется подключать и различные естественные заземлители, в том числе трубопроводные системы;

• при определенных условиях к системам заземлителя могут подключаться системы газораспределения, трубопроводы горючих и воспламеняющих жидкостей;

• следовательно, заземляющие системы имеют в своем составе трубопроводные участки различного назначения, конструктивного исполнения и составасущественным отличием этих участков друг от друга является способ прокладки трубопровода — надземный или подземный;

• разработанные ранее методы расчета стержневых и скважинных за-землителей для их применения при исследовании режимов работы трубопроводных участков заземляющих систем требуют существенной переработки;

• при разработке методов расчета параметров, характеристик и режимов работы надземных трубопроводных участков заземляющих систем необходимо учесть следующие факторы: изменения по длине трубопровода высоты прокладки и сопротивления грунта, наличие регулярных утечек через опоры трубопроводадля трубопроводных участков, проложенных в грунте кроме сопротивления заземления, напряжений шага и прикосновения представляют интерес оценки взаимовлияния параллельных трубопроводов и характеристики коррозионной стойкости;

• при рассмотрении надземных трубопроводных участков представляет практический интерес режим синусоидального тока, соответствующий контакту с цепью такого тока, и режим импульсного тока, соответствующий удару молнии в трубопровод или рядом с нимэти же режимы представляют интерес и при рассмотрении подземных трубопроводов.

Указанные области практического интереса к параметрам и режимам функционирования трубопроводных участков заземляющих систем энергетических объектов и промышленных объектов любого другого назначения определяют актуальность выбранной темы исследования.

Объект исследования — естественные заземлители электроэнергетических объектов в форме трубопроводов различного назначения.

Предмет исследования — электромагнитные процессы в естественных заземлителях трубопроводного типа, разработка методов расчета параметров и характеристик для протекающих в них режимах синусоидального и импульсного тока.

Целью диссертации является совершенствование методов расчета электромагнитных характеристик естественных заземлителей электроэнергетических объектов в форме трубопроводов различного назначения.

В данной работе решаются следующие задачи:

• анализ электротехнических проблем, связанных с аварийными и нештатными ситуациями при эксплуатации надземных и подземных трубопроводных участков заземляющих систем;

• разработка математических моделей электромагнитных процессов в естественных заземлителях трубопроводного типа при подземной прокладкерасчет их электромагнитных характеристик;

• разработка математических моделей естественных заземлителях трубопроводного типа для надземных участков трубопроводных систем и методики расчета их параметров и характеристик;

• разработка методики расчета распределений синусоидального тока и напряжения в естественных заземлителях трубопроводного типа при наземной прокладке;

• расчет, описание и частотный анализ прямого и наведенного токов грозового разряда в сечениях естественных заземлителей трубопроводного типа и соответствующих им напряжений и распределений электрических зарядов;

• разработка методики расчета распределений в естественных заземлителях трубопроводного типа надземной прокладки импульсных токов, напряжений и наведенных зарядов.

Методы исследования.

Теоретические методы исследования основываются на системе уравнений Максвелла, использование которых базируется на аппарате специальных функций и спектральном методе анализа электромагнитных явлений. При расчете наведенных зарядов и токов применен метод интегральных уравнений и теорема Шокли-Рамо. Математическая модель для подземных трубопроводных участков заземлителя построена в форме бесконечной системы алгебраических уравнений. Для надземных участков разработана цепная модель в форме каскадно соединенной системы четырехполюсников, использование которой для расчетов базируется на частотных характеристиках конкретных участков трубопровода.

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается соответствием исходных математических уравнений и физических допущений поставленным задачам исследованияпроверкой полученных теоретических результатов путем предельных переходов по частоте, геометрическим и физическим параметрам. Согласие полученных результатов с расчетными данными других исследователей и результатами компьютерного моделирования.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы».

Соответствие диссертации формуле специальности в соответствии с формулой специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы» (технические науки), объединяющей исследования по связям и закономерностям при планировании развития, проектировании и эксплуатации электрических станций, электроэнергетических систем, электрических сетей и систем электроснабжения, в диссертационном исследовании разработаны комплексы математических моделей и методов их реализации, выполненные для совокупности явлений связанных с функционированием естественных заземлителей трубопроводного типа электроэнергетических и иных производственных объектов.

Соответствие диссертации области исследования специальности отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы»: по развитию и совершенствованию теоретической и технической базы электроэнергетики с целью обеспечения экономичного и надежного производства электроэнергии, ее транспортировки и снабжения потребителей электроэнергией в необходимом для потребителей количестве и требуемого качества.

Пункту 6 «Разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике» паспорта специальности 05.14.02 — «Электростанции и электроэнергетические системы» (технические науки) соответствует следующий результат диссертационного исследования, отраженный в поставленных задачах и имеющий научную новизну.

Рассмотренная Ю. В. Кандаловым математическая модель естественного заземлителя трубопроводного типа в форме каскадно соединенных четырехполюсников позволяет оценить изменения тока и напряжения возникающих на трубопроводах наружной прокладки различного назначения с учетом конкретных характеристик отдельных участков: длин трубопроводных участковрасстояния между опорамиизменяющегося удельного сопротивления грунта трубопроводаизменения диаметров трубопроводасопротивления заземления опорвысоты трубопровода над землей и т. д. До этого электромагнитные процессы в естественных заземлителях трубопроводного типа рассматривались аналогично ВЛЭП. Однако имеющиеся существенные различия обусловленные следующими факторами: различие в материалах и конструкциях трубопроводов и проводов ВЛЭП, в силу чего существенно различаются их продольные параметры (индуктивности и активные сопротивления) — близость трубопроводов к земле и, тивности и активные сопротивления) — близость трубопроводов к земле и, соответственно, увеличение емкости, и влияние электромагнитных процессов в грунте на продольные параметры трубопроводаналичие сосредоточенных утечек на землю за счет опор трубопровода. Показывают, что методика расчета электромагнитных параметров трубопроводов требует специальной, целенаправленной разработки, хотя и допускает включения в себя отдельных элементов методических разработок по расчету параметров ВЛЭП.

Пункту 11 «Разработка методов анализа структурной и функциональной надежности электроэнергетических систем и систем электроснабжения» соответствует следующий результат диссертации, отраженный в поставленных задачах и имеющий научную новизну.

Разработанные Ю. В. Кандаловым методы расчетов параметров естественных заземлителей трубопроводного типа и электрических полей подземных и надземных трубопроводных участков заземлительных систем, токов и напряжений в трубопроводах, воздухе и грунте, а также других характеристик применительно к режимам протекания по трубопроводам синусоидального и импульсного токов позволяют в целом решать задачу электромагнитной совместимости пожаро — и взрывоопасных трубопроводных систем с системами электроснабжения и заземления, и использовать их в качестве естественных заземлителей. Разработанные методы могут быть использованы при автоматизированном проектировании систем заземления с использованием естественных заземлителей в форме трубопроводных участков. Методика расчета ЭМ полей естественных заземлителей электроэнергетических объектов в форме трубопроводов различного назначения применима к задачам об электромагнитной совместимости токовых режимов трубопроводов, кабельных оболочек, арматуры зданий и т. п. естественных и искусственных заземлителей с производственным и информационно-измерительным оборудованием.

Научная новизна.

1. Установлена и реализована возможность исследования электромагнитных процессов в естественных заземлителях электроэнергетических объектов в форме надземных трубопроводных участков заземляющих систем на основе использования специальной электрической цепи, элементы которой учитывают особенности конструкции и прокладки моделируемого участка.

2. Разработана математическая модель естественного заземлителя (трубопроводного участка наружной прокладки) в форме цепной схемы из каскадно соединенных четырехполюсников, параметры которых учитывают не только электрические свойства трубы, но и электрическое сопротивление грунта, сопротивление заземления опор и геометрические характеристики трассы трубопроводного участка заземляющей системы.

3. Разработаны методы расчета токов и напряжений в сечениях естественных заземлителей электроэнергетических объектов в форме надземного трубопровода при синусоидальном режиме электромагнитных воздействий, а также на основе частотных характеристик трубопровода, определяемых в этом режиме при импульсных воздействиях.

4. Усовершенствована и реализована методика расчета импульсных токов, наводимых на естественные заземлители ЗС электроэнергетических объектов в форме трубопроводов различного назначения за счет индуктивной связи при ударах молнии в землю или соседствующие объекты. Разработана методика расчета распределения наведенных зарядов по естественным заземлителям в форме трубопроводов наружной прокладки при ударе молнии в землю.

5. Разработана методика расчета собственных и взаимных параметров и характеристик систем естественных заземлителей в форме подземных трубопроводов большого диаметра.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации методы расчетов параметров естественных заземлителей трубопроводного типа и электрических полей подземных и надземных трубопроводных участков заземлительных систем, токов и напряжений в трубопроводах, воздухе и грунте, а также других характеристик (напряжений прикосновения и шага, пробивных напряжений, анодной и катодной зон и т. д.) применительно к режимам протекания по трубопроводам синусоидального и импульсного токов позволяют в целом решить задачу электромагнитной совместимости пожаро — и взрывоопасных трубопроводных систем с системами электроснабжения и заземления, и использовать их в качестве естественных заземлителей. Разработанные методы могут быть использованы при автоматизированном проектировании систем заземления с использованием естественных заземлителей в форме трубопроводных участков. Методика расчета ЭМ полей естественных заземлителей электроэнергетических объектов в форме трубопроводов различного назначения применима к задачам об электромагнитной совместимости токовых режимов трубопроводов, кабельных оболочек, арматуры зданий и т. п. естественных и искусственных заземлителей с производственным и информационно-измерительным оборудованием.

Результаты работы, относящейся к расчету электромагнитных параметров естественных заземлителей в форме трубопроводов различного назначения, и разработанные математические модели электромагнитных процессов в них внедрены в АКХ им. Памфилова и ЗАО «Проектный институт „МОРДОВАГРОПРОМПРОЕКТ“». Результаты работы используются в учебном процессе для подготовки специалистов по направлению «Электроэнергетика» ИГЭУ (лекционный курс «Электромагнитное поле и волновые параметры многопроводных воздушных линий»).

На защиту выносятся:

1. Методика расчета параметров естественных заземлителей трубопроводного типа и характеристик естественных заземлителей подземных трубопроводных участков систем заземления.

2. Математические модели и методика их реализации для расчета индукционных токов и зарядов, наводимых в заземлителях при грозовом разряде.

3. Математическая модель естественного заземлителя в форме надземного трубопровода в виде электрической цепи из каскадно соединенных четырехполюсников.

4. Методы расчета естественных заземлителей трубопроводного типа синусоидальных и импульсных процессов в надземном трубопроводном участке системы заземления.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: Х1У-Й и: ХУ-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ (ТУ) 2008 -2009 гг.), международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Бенардосовские чтения) (Иваново, ИГЭУ, 2007, 2009 гг.), межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Смоленск, 2008, 2010), региональных научно-технических конференций студентов и аспирантов (Иваново, 2007, 2009, 2010 гг.), Ш-й Российской конференции по заземляющим устройствам (Новосибирск, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 6 статей в журналах и сборниках научных трудов, 9 тезисов докладов международных научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Общий объем основного текста диссертации 116 страниц.

Выводы.

Исследованы импульсные процессы с помощью цепной модели, разработанной в третьей главе. Полученная методика позволяет рассчитывать мгновенные значения напряжения и тока в заданном (выходном) сечении цепной модели трубопровода — и2(/), /2(г), соответствующих мгновенным значениям этих величин во входном сечении — /,(*), содержащая в общем случае следующие разделы:

— определение по физическим условиям решаемой задачи функциональных зависимостей /,(/), характеризующих изменения во времени напряжения и тока во входном сечении цепной модели. Расчет соответствующих функциям «,(/), /,(/) характеристик йх (со), /,(«);

— вычисление по методике, рассмотренной в третьей главе частотных характеристик передаточных функций для участка цепи между входным и выходным сечениями: Ки (со), К,(со)-,.

— расчет по формулам косинус и синус — преобразования Фурье законов изменения напряжения и тока в выходном сечении — м2(/), /2 (/).

Заключение

.

Основным результатом диссертации является разработка комплекса математических моделей и методов их реализации, выполненные для совокупности явлений, связанных с функционированием естественных зазем-лителей трубопроводного типа электроэнергетических и иных производственных объектов.

В диссертации разработаны:

1. Математическая модель естественного заземлителя трубопроводного типа подземной прокладки для условий прокладки трубы параллельно границе раздела воздух — грунт на глубине соизмеримой с ее диаметром. Модель позволяет рассчитывать не только традиционные параметры — сопротивление заземления, напряжения прикосновения и шага, но и получить оценки влияния параллельных ей соседних цилиндрических объектов (труб, кабелей и т. п.), а также получить характеристики коррозионного воздействия.

2. Математическая модель появления индукционного импульсного тока в системе заземления при ударе молнии вблизи объекта, подключенного к данной ЗС.

3. Математическая модель индукционного наведения электрических зарядов на естественных заземлителях трубопроводного типа надземной прокладки при ударе молнии в землю вблизи трубопровода любого назначения.

4. Математическая модель естественных заземлителей трубопроводного типа надземной прокладки, учитывающая конкретные характеристики участков: сопротивление грунта на трассе прокладке, расположение опор и параметры их заземлителей, изменения высоты расположения труб и их физические параметры. В диссертации установлено, что наиболее полно перечисленным условиям удовлетворяет электрическая цепь в форме системы каскадно соединенных четырехполюсников, параметры которых соответствуют конструктивным, физическим и топографическим характеристикам трубопровода и трассы. Тем самым в практику исследования электромагнитного состояния естественных заземлителей трубопроводного типа введена специальная модель, позволяющая автоматизировать расчет ситуационных состояний трубопровода.

Для реализации перечисленных математических моделей в диссертации разработаны методы расчета индуцированных зарядов и токов в элементах ЗС при грозовом разрядеусовершенствован и применен для расчета естественных заземлителей в форме подземных трубопроводных участков ЗС метод исследования полей стержневых заземлителейна основе спектрального метода разработана и применена к цепочной модели надземных участков ЗС методика расчета параметров и характеристик трубопроводов в режимах протекания синусоидальных и импульсных токов.

В общем и целом решены все обозначенные во введении к диссертации задачи. Более того, в ходе выполнения исследования была установлена и подтверждена специалистами АКХ им. Памфилова и ЗАО «Цроектный институт „МОРДОВАГРОПРОМПРОЕКТ“» перспективность использования разработок диссертации для изучения и решения проблем пожаро — и взрывоопасности газораспределительных сетей.