ЗАЗЕМЛИТЕЛИ: РАСЧЕТЫ, КОНСТРУКЦИИ, ТЕХНОЛОГИЯ

Анализ состояния вопроса по ЗУ СЖАТ показал, что существует ряд специфических особенностей организации заземления СЖАТ, а именно: СЖАТ обладает малыми токами короткого замыкания на землю в подсистеме внешнего электроснабжения, что обусловливает сравнительно высокие нормативы на допустимые сопротивления заземлений (4 - 10 Ом); многочисленные кабели и цепи, расположенные радиально относительно заземлителя СЖАТ, непреднамеренно соединяют его с удаленной землей, в том числе и рельсами с их высокой электропроводностью, и подвержены гальваническому влиянию, обусловленному протеканием в земле обратных тяговых токов.

Обзор известных теории и методов расчета заземляющих устройств дал основание сделать вывод, что наиболее адекватным инструментом для моделирования заземлителей СЖАТ является цепно-полевая модель (ЦПМ), разработанная профессором С.Л. Шишигиным.

Анализ топологии заземлителей по критерию их металлоемкости. Рассмотрим применение ЦПМдля решения задачи определения параметров заземлителей СЖАТ различных топологий в произвольных геологических условиях.

В цепно-полевой модели заземлителя для определения сопротивлений, индуктивностей, емкостей элементов заземлителя используется полевая модель (рис.1.1 а). Входное сопротивление, потенциалы элементов заземлителя, продольные и стекающие токи элементов определяются аппаратом теории цепей по цепной модели (рис.1.1 б) после переноса на нее найденных электромагнитных параметров. На основе полученных токов, возвращаясь к полевой модели, рассчитываются распределение потенциала и напряженности электрического и магнитного поля.

Рис. 1 Модель элемента стержневого заземлителя: а) полевая, б) цепная

В полевой модели заземлителяэлектрические и магнитные связи между элементами заземлителя представляются в виде квадратных матриц проводимостей G, емкостей С и индуктивностей M. Нахождением обратной квадратной матрицы активных сопротивлений элементов получается матрица проводимостей G=R^-1. Инверсией матрицы потенциальных коэффициентов определяетсяматрица емкостей С=α^-1.

Для учета влияния границы раздела двух сред применяется метод зеркальных изображений.

Взаимная индуктивность элементов описывается следующим выражением:

где Ψij – потокосцепление i–ого стержня, создаваемое током j–ого стержня.

Принимая во внимание аналогию со стационарными полями, для нахождения элементов матрицы взаимной индуктивностейМ и матрицы потенциальных коэффициентов αдостаточно рассчитать матрицу сопротивлений R и повторных расчетов не требуется.

Цепная модельописывает схему с симметричными П–образным четырехполюсниками с продольными сопротивлениями и поперечными проводимостями. Для определения GC–параметров элементов ЗУ в узлах П–четырехполюсников ЦПМ производится преобразование матриц G,C, найденных методами теории поля в средних точках элементов, в узловые матрицы G_y, C_y. из условия неизменности стекающего тока элементов

G_У = B·G·B^T, C_У = B·C·B^T,

где А- матрица соединений, описывающая топологию продольных ветвей ЗУ, В -связанная сАматрица (b_i,,j= ǀa_ijǀ/2),позволяющей связать стекающие токи элементов J с поперечными токами J_y узлов четырехполюсников J_y = B*J, а также потенциалы средних точек элементов φ с потенциалами U узлов четырехполюсников φ =B^T*U.

При воздействии источников синусоидального тока расчет модели стержневого заземлителя (рис. 1) выполняется одним из методов расчета электрических цепей - методом узловых потенциалов. Тогда система узловых уравнений имеет следующее матричное представление

(AZ^-1·A^T + В·Y·B^T ) · U = J_ист ,

где Z = R + jω(L + M) –матрица продольных сопротивлений ветвей,Y = G + jωC –матрица поперечных проводимостей элементов, U – искомый вектор потенциалов узлов, J_ист– вектор задающего тока источника.

Потенциалы узлов U, стекающие J и продольные токи I определяются согласно выражениям:

J=Y·В^Т ·U , I=Z^-1·A^T·U.

Описание геометрии ЗУ СЖАТ в цепно-полевой модели в матричной форме позволяет рассчитывать произвольные трехмерные конструкции.

Используя ЦПМ, выполним анализ условий, влияющих на значение сопротивления заземления, таких как методы предпроектных изысканий грунта, непостоянство удельного сопротивления грунта в зависимости от сезонных атмосферных и климатических условий, геометрические параметры и топология заземлителя [ 3 ]. При этом для расчета параметров ЗУ СЖАТ с помощью ЦПМ воспользуемся программой ЗУМ (разработана С.Л. Шишигиным), реализующей автоматизированный расчет на базе Autocad–совместимых систем и Mathcad.

Полученные результаты (рис.2) показывают, что вертикальный стержневой заземлитель СЖАТ длиной L_в=7,5 м на различной глубине укладки (расстояние от поверхности земли до заземлителя) H от 0 до 1,2 м обеспечивает меньшее значение сопротивления заземления при сезонном увеличении удельного сопротивления грунта на глубине до 0,7 м, в отличие от аналогичного горизонтального.

Важно отметить, что граница раздела двух сред земля-воздух, которая практически не влияет на растекание тока из вертикального стержня, мешает току растекаться из горизонтального стержня, поэтому увеличение H при малых глубинах сильнее сказывается на снижении сопротивления горизонтального стержня.

а)

б)

Рис. 2 Зависимость сопротивления а) Rv вертикального и

б) Rg горизонтального заземлителя от глубины H, тип грунта - суглинок

Анализ результатов исследования (рис.3) показывает, что увеличение длины горизонтальных и вертикальных заземлителей ведет к снижению влияния сезонных изменений параметров грунта на значение сопротивления заземления. При этом возможно оценить длину электрода, наращивание которой с точки зрения снижения сопротивления не эффективно (рис.3,б), для принятого в примере типа грунта (песок) - 12 м. С целью подтверждения результатов моделирования (рис.3,б), были проведены натурные испытания модульно-стержневого заземлителя типа МСЗ-16 вблизи поста электрической централизации (ЭЦ) станции Белоостров Октябрьской ж.д., параметры грунтов на которой схожи с принятыми при расчете. Полученные результаты согласуются с теоретическими (длина вертикального заземлителя составляет 12 м) и указывают на то, что точечные глубинные вертикальные МСЗ позволяют достигать слоев грунта, не подверженных температурным колебаниям, при этом не требуют больших площадей для монтажа, обладают большей технологичностью установки по сравнению с существующими методами и средствами заземления в СЖАТ.

а) горзонтальный электрод

б) вертикальный электрод

Рис. 3 Зависимость сопротивления заземления от длины электрода L

Рис. 4 Зависимость сопротивления горизонтальных заземлителей от количества и длины лучей

Выполненные исследования зависимости значения сопротивления заземления от топологии заземлителя СЖАТ (рис.4) показывают, что для горизонтального заземлителя двухлучевая (nл=2, где nл – число горизонтальных лучей) топология наиболее рациональна, причем при длине луча заземлителя более 10м начинают сказываться его собственное сопротивление и индуктивность.

Для оценки влияния на величину сопротивления добавления при моделировании вертикальныхстержневых заземлителей R_г,в. в наиболее распространенные для СЖАТ топологии из горизонтальных R_г заземлителей введен коэффициент K_в:

Анализ результатов исследования показал, что сопротивление заземления снижается с увеличением длины вертикальных электродов L_в относительно длины горизонтальных лучей (n_л L_л).

При одинаковой металлоемкости вертикальных заземлителей и фиксированном относительном расстоянии между смежными электродами (a/L_в), эффективнее использовать более длинные (рис.5). Под металлоемкостью здесь понимается объем металла на стержневые вертикальные заземлители радиусом r, длинной L_вв количестве n_в, которое требуется установить в 2-х, 3-х или 4-х лучевую горизонтальную топологию ЗУ для достижения K_в.

Рис. 5 График зависимости Кв от металлоемкости при a/L в =0,5

По причине отсутствия в современных нормативных и руководящих документах рекомендаций по расположению глубинных вертикальных заземлителей (длиной более 5м) друг относительно друга была определена функциональная связь между относительным расстоянием между вертикальными заземлителями a/L_в и их длиной L_в. Выявлено, что одно и то же значение коэффициента эффективного использования k вертикальных стержней соответствует разным относительным расстояниям a/L_в между глубинными и короткими заземлителями (рис.6).

Рис. 6 График зависимости k от a/Lв в грунте с удельным сопротивлением 100 Ом·м

С целью наглядности обоснования рациональности перехода от традиционных контурных конструкций заземлителей устройств ЖАТ к точечным глубинным стержневым на (рис.7) показана зависимость сопротивления заземления от топологий заземлителей поста ЭЦ в двухслойном грунте с удельным сопротивлением верхнего слоя ρ₁=100 Ом·м, толщиной верхнего слоя h₁=0,25 м, удельным сопротивлением нижнего слоя ρ₂ =60 Ом·м.

Рис.7 Зависимость сопротивления заземления от топологии заземлителя

Конструкции заземлителей Одним из перспективных и экономически выгодных решений является применение глубинной модульно-стержневой системы заземления. Основоположником технологии модульных стержневых системы заземления в 1970-х годах стала американская компания ERICO (Electric Railway Improvement Company). На российском рынке представлено подобное оборудование таких фирм как Erico (США), OBO Bettermann (Германия), Galmar (Польша), «DEHN SÖHNE» (Германия), Ezetek (Словения), «ШИП» (Россия) и другие. Между собой их продукция все же отличается, но основные принципы остаются неизменными.

Инновационность этой технологии заключается в том, что вертикальный стержень становится своего рода «системой» благодаря модульному наращиванию: стальные стержни с электропроводным антикоррозионным покрытием последовательно соединяются в сегменты необходимой длины. Глубокое погружение в землю с помощью ручного ударного электроинструмента дает возможность получения требуемого значения активного сопротивления при минимальном количестве точек заземления, что позволяет значительно сократить сроки производства работ и затраты на их проведение. Модульная конструкция заземлителя упрощает монтаж, сборку и перевозку комплектующих для контура заземления. Для них не требуются длинномерные грузовые автомобили большой грузоподъемности.

Кроме того, опыт устройства контуров заземления по традиционной технологии показывает, что предпроектные измерения удельного сопротивления грунта имеют существенную погрешность и часто глубины скважины, заложенной в проекте, или определённого количества стальных уголков оказываются недостаточными для получения требуемого значения сопротивления.

Использование системы модульно-стержневых заземлителей (МСЗ) решает эту проблему, поскольку позволяет проводить измерения сопротивления в процессе монтажа глубинного заземления и, тем самым, исключает лишние трудозатры, связанные с повторным проведением работ на объекте, если требуемое значение сопротивления не было достигнуто.

Повышение эффективности модульно-стержневых конструкций заземлителей. Недостатки существующих конструкций МСЗ связаны с видом соединения стержней между собой и с антикоррозийным покрытием.

Наиболее распространенное соединение с помощью резьбовой муфты не только затрудняет заглубление заземлителей за счет дополнительного сопротивления погружению (навинчиваемая на концы соединяемых стержней муфта имеет больший диаметр по сравнению с диаметром стержней), но и не обеспечивает надежности соединения стержней, поскольку используемый для погружения стержней ударный инструмент (в частности, перфоратор) нарушает резьбу.

Для замены резьбовой муфты предлагается конструкция сочленения стержней заземлителя с помощью расклинивающей вставки, обеспечивающая в отличие от существующих видов соединений надежный электрический контакт между отдельными стальными стержнями в результате повышения стойкости соединения таких стержней к изломам при погружении в грунт (рис.8).

1-первый заглубляемый стержень, 2- верхний стержень, 3- расклинивающая вставка, 4- диаметральные разрезы шейки стержня, 5-уплотняющее кольцо Рис. 8 Разработанное механическое сочленение стержней

Для обеспечения минимального лобового сопротивления грунта при заглублении модульно-стержневых заземлителей разработана математическая модель, позволяющая определять оптимальный угол заострения α_опт наконечника стержневого заземлителя при известном угле трения огрунт φ:

2tgα= sin2(α+φ) .

Применение наконечника с оптимальным углом заострения 68⁰ обеспечивает более высокую технологичность заглубления МСЗ, уменьшая время на погружение стержней и снижая потребление электроэнергии перфоратором.

В качестве антикоррозионного покрытия широкое распространение получило омеднение стержней. Принимая во внимание наличие в грунтах вблизи железнодорожного полотна щебня, кусков бетона и других травмоопасных для покрытия МСЗ элементов, в качестве альтернативы меди предлагается цинковое покрытие, выполненное по термодиффузионной технологии. Для сравнения травмостойкости этих двух типов антикоррозионного покрытия выполнено экспериментальное испытание в реальном грунте, поверхностный слой которого содержал щебенку, перемешанную с землей. Полученные при этом повреждения покрытий показаны на рис.9. Точные измерения показали, что механическая прочность исследуемого цинкового покрытия при заглублении заземлителей в три раза выше медного. Принимая во внимание влияние собственных электродных потенциалов металлов при их взаимодействии с грунтом, использование термодиффузионного цинкового покрытия, как средства снижения интенсивности коррозионного процесса заземлителей систем ЖАТ представляется несомненно более эффективным.

а)

б)

Рис. 9 Повреждения на поверхности стержней МСЗ: а) омедненных,

б) оцинкованных с использованием термодиффузионной технологии

Рассмотрим повышение эффективности заземляющих устройств с помощью приведенных выше предложений на конкретных примерах.

Для модульного поста ЭЦ на станции Арабатук Забайкальской железной дороги в грунте с большой глубиной сезонного промерзания грунта 4.2 м выполнен сравнительный расчет двух вариантов заземлителей: с использованием угловой стали (традиционный способ) и с применением МСЗ. В обоих случаях ЗУ рассматриваемого поста ЭЦ должно обеспечивать значение R_н не более 4 Ом при переменном токе 50 Гц и наихудших свойствах грунта.

Результаты проведенного моделирования с помощью ЦПМ и программы ЗУМ показали, что оптимальная длина проектируемого вертикального заземлителя составляет 9 м, что подтверждают большую эффективность способа заземления с применением МСЗ по сравнению с уголковыми: стабильное значение сопротивления заземлителя поста ЭЦ с 10-ю МСЗ длиной 9 м меньшее на 1 Ом, чем с 44-мя уголковыми конструкциями длиной 3 м, при этом расход металла снижен в 12,9 раз.

С целью подтверждения эффективности применения глубинных МСЗ по сравнению с уголковыми конструкциями заземлителей выполнены расчеты для модульного поста ЭЦ на станции Кирсанов Юго-Восточной железной дороги,отличающейся от рассмотренной в предыдущем примере меньшей глубиной промерзания грунта. Средняя глубина сезонного промерзания грунта на предполагаемой территории строительства поста ЭЦ составляет 2 м, а ниже 3-х метров расположены водоносные пески с низким удельным сопротивлением грунта, что характерно для обширной территории России. Поэтому разработка технического решения по оборудованию данного поста ЭЦ заземлением может послужить основой для типового проектирования.

Результаты моделирования заземлителей с использованием ЦПМ и ЗУМ показывают, что установка только одного МСЗ длиной 6 м вместо четырех уголковых заземлителей длиной 2,5 м с горизонтальным контуром по периметру поста позволила достичь нормируемое значение R_н , обеспечив снижение расхода металла в 11,8 раза.

Выводы

1. Анализ существующих подходов к расчету заземляющих устройств дает основание утверждать, что наиболее адекватной для моделирования заземлителей СЖАТ для произвольной конфигурации ЗУ с гальваническими связями (в том числе через землю при наличии сторонних заземленных коммуникаций) является цепно-полевая модель.

2. Предложенный метод сравнения топологий заземлителей с помощью ЦПМ позволяет на этапе проектирования определить оптимальный по критерию минимального расхода металла вариант, решающий задачу ресурсосбережения.

3. В качестве перспективной конструкции предлагается использовать модульно-стержневые заземлители. Для повышения их надежности и ресурсосберегающих свойств рекомендуется соединенение стержней заземлителя выполнять с помощью расклинивающей вставки, а наконечник - в виде кругового конуса с оптимальным углом заострения 68⁰, повышающим производительность работ по заглублению и обеспечивающим минимум усилия при его погружении в грунт.

4. Антикоррозионное покрытие стержней МСЗ, выполненное по технологии термодиффузионного цинкования, обладает повышенной травмостойкостью, что в условиях погружения заземлителей в грунты с примесью щебенки гарантирует длительный срок службы покрытия и, как следствие, сохранение стабильного сопротивления заземления. Благодаря этому реже возникает потребность в ремонте заземлителя, а технологию термодиффузионного цинкования можно отнести к категории ресурсосберегающих.

Литература

1. Костроминов, А.М., Евдокимова О.Г. Ресурсосберегающие технологии при проектировании, строительстве и эксплуатации заземлителей в системах ЖАТ //Наука и транспорт, №2 (6), 2013. – С 43-47.