Введение к работе
Актуальность темы:
В состав оборудования современных электроустановок входят разнообразные электросетевые конструкции (ЭК): железобетонные (ЖБ) фундаменты и стойки, силовые кабели с оболочками и броней, провода и тросы воздушных линий (ВЛ), трубопроводы и искусственные заземлители и т.п.
В указанных конструкциях используются различные материалы: бетон на разных марках цемента и наполнителях; металлы — сталь, алюминий, свинец, медь и пр.; изоляция — поливинилхлоридная, битумная, бумажная и др.
Конструкции подвергаются одновременному воздействию токов электроустановок, механических нагрузок и коррозии или старения от взаимодействия материалов конструкций и окружающей среды. Разрушение конструкций от термического воздействия токов электроустановок (токов коротких замыканий, токов молнии и рабочих токов) возможно только в том случае, если они превышают предельно допустимые их значения, заложенные в конструкцию при проектировании и изготовлении. Аналогичный вывод получается при рассмотрении воздействия только механической нагрузки.
Воздействие коррозии и старения материалов конструкций приводят к снижению предельно-допустимых значений по токовым и механическим нагрузкам [5]. С этой точки зрения коррозия и старение материалов являются основными факторами, определяющими их долговечность. Коррозия и старение материалов предопределены тем, что системы энергетических конструкций контактируют с фунтом, воздухом и водой. Кроме того, они подвержены воздействию блуждающих постоянных и переменных токов, также вызывающих коррозию.
В результате на практике наблюдаются значительные коррозионные v повреждения электросетевых конструкций и энергетического оборудования, создающие условия для возникновения аварийных ситуаций.
Наибольшую опасность представляет коррозия заземляющих систем (ЗС), протекающая под действием блуждающих постоянных токов, основным источником которых является электрифицированный железнодорожный транспорт. Так, на ряде тяговых подстанций Западно-Сибирской ж.д. имели место случаи полного разрушения горизонтальных шин на отдельных участках длиной 40-50 м. уже через 4-6 лет после ввода в эксплуата-
цию. Это приводило к ложным срабатываниям земляной защиты, например, на тяговой подстанции "Мошково" (Западно-Сибирской ж.д.) [5].
Анализ показывает, что неуклонно растет доля повреждений по ста-рению, коррозии и износу основных элементов контактной сети. Удельная повреждаемость на старых участках выше средней в 1,6 раз и выше, чем на участках со сроком службы менее 10 лет в 2-3 раза.
v Для опор контактной сети задача повышения их "рециклинга" не менее, чем на 40%, в основном решена за счет применения новых конструкций опор (предварительно-напряженные опоры со смешанным армированием и опоры раздельного типа).
В тоже время мало внимания уделялось конструкциям продольного энергоснабжения и тяговых подстанций, например, в концепции модернизации устройств электрификации (М.: 1999) нет браковочных параметров для искусственных заземлителей и стоек УСО. Их разрушение также приводит к возникновению аварийных ситуаций.
Экспериментальные исследования на ЗС морских и речных портов (г.г. Находка; Владивосток; Южно-Сахалинск; Красноводск; Чарджоу), гид-v ростанции (Саяно-Шушенская ГЭС; Усть-Илимская ГЭС) показали следующее:
арматура массивных железобетонных сооружений (плотины гидростанций; шлюзы; причалы; фундаменты и т.п.) работает мощными "катодами" и существенно усиливает функционирование "анодов" и, следовательно, разрушение;
металлических конструкции портов контактирующих с водой (особенно, морской) и водоводов гидростанций;
искусственных и естественных заземлителей питающих подстанции при отсутствии контакта металлических конструкций с водой.
Следовательно, железнодорожный транспорт электрифицированный на постоянном токе является источником основного агрессивного фактора, а именно, блуждающего тока, и массивные железобетонные сооружения береговых устройств водного транспорта в ряде случаев приводят к усилению коррозии электросетевых конструкций объектов энергосистем. Это может привести к выносу опасных потенциалов на объекты транспорта при к.з. В связи с этим, основное внимание в работе уделялось коррозии ЭК энергосистем.
Такие повреждения, как коррозионный обрыв заземляющего проводника или коррозия потенциал выравнивающих заземлителей, могут привес-
ти к отказам ЗС при выполнении основной ее функции - обеспечения требуемого уровня напряжений прикосновения.
Обрыв заземляющего проводника может привести также и к отказу срабатывания защит и устройств автоматики. Это относится и к заземляющим проводникам от трансформаторов напряжения, короткозамыкателей, нейтралей сшювых трансформаторов и т.п. При возникновении внутренних и атмосферных перенапряжений, если нет соответствующей связи с землей у вентильных и трубчатых разрядников, волны перенапряжения могут вызвать пробой изоляции оборудования электроустановки. В трансформаторах с ослабленной изоляцией нейтрали нарушение заземления нейтрали может привести при коротких замыканиях в системе к повреждению изоляции трансформаторов. При нарушении их целостности продольные токи, попадающие в системы заземления при коротких замыканиях, перераспределяются на естественные связи, такие как оболочки кабелей, трубопроводы, воздухопроводы и т.п. и, перегружая, повреждают их. Локальные повреждения горизонтальных искусственных заземлителей усиливают перетоки в местах плохого контакта естественных заземлителей с заземленными конструктивными частями (например, кабельными полками) и вызывают пережоги, например, оболочек кабелей и трубопроводов в месте их контакта. В пожаро- и взрывоопасных случаях могут возникнуть пожар и взрыв.
Железобетонные опоры и фундаменты воздушных линий электропередач (ВЛ) в агрессивных условиях, особенно при низком качестве их изготовления, выходят из строя за короткий срок 10-15 лет [5, 8].
Данные по повреждаемости ЖБ ЭК были получены в результате исследований СибНИИЭ, С30 "Энергосетьпроект", "Средазтехэнерго". Так, в Туркменистане на 1.01.1987 г. в сетях 0,38-20 кВ дефектными являлись 10 тыс. шт. ЖБ приставок и 8 тыс. шт. ЖБ опор. За 1986 г. число поврежденных ЖБ приставок и опор (падение) 6-20 кВ - 260 шт.; недоотпуск электроэнергии в следствии аварии составил 334280 кВт.ч.
Установлено, что условия повышенной аварийности опор характерны для многих регионов СНГ (Украина, Кавказ, Сибирь, Средняя Азия, Казахстан и т.п.). Для этих районов характерны массовые падения опор с многократной повторяемостью из-за сверхнормативных нагрузок. Это приводит к частным отказам ВЛ.
В последние 5-10 лет особенно актуальными стали вопросы обеспечения надежности работы опор ВЛ с оттяжками различных классов напряжений 220-1150 (1500) кВ в СНГ.
Отказы в работе узлов оттяжек наблюдаются вследствие интенсивно! коррозии U-образных болтов и анкерных петель. Случаи падения опор BJ по этой причине отмечались в Краснодарском крае, Омской области, Казах стане, Туркменистане.
Случай падения 41 опоры с оттяжками отмечались в США на ВЛ-34! кВ "Коффин-Норд-Пана", в Финляндии — падение 3-х опор с оттяжками.
Таким образом, практически все электросетевые конструкции и ЗС из них подвергаются коррозионным разрушениям.
Проведенный анализ показал, что с учетом требования належності самой ЗС и надежности работы основного оборудования, ЗС должна бьіті спроектирована так, чтобы в течение требуемого срока службы уровень кор розиционного повреждения ее элементов оставались в пределах допустимо го.
Рекомендации по такому проектированию могут быть сформулирова ны на основе изучения коррозиционных процессов ЗС, определению мер П( регулированию коррозии до требуемого уровня и технико-экономическоп обоснования необходимости и сроков включения аіггикоррозиционньїх за щит.
В настоящее время в СНГ исследованиями коррозии в электроуста новках (за исключением коррозии теплотехнического оборудования) зани маются очень мало. Особенно мал объем исследований по долговечності электросетевых конструкций.
Существующие нормативные документы, например, ГОСТ 9.602-8* и СНиП 2.03.11-85 по защите строительных конструкций от коррозии даю только качественную характеристику коррозионной опасности, в то врем: как для обоснованного применения того или иного вида защиты конструк ций необходимо иметь количественную характеристику опасности и знат; срок их службы в конкретных условиях.
Таким образом, проблема повышения долговечности систем электро сетевых конструкций являются весьма актуальной для всех регионов СНГ і требующей своего неотложного решения.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является создание тео ретических основ и технических средств обеспечения долговечности элект росетевых конструкций и заземляющих систем в агрессивных условиях.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследо ваний являются:
— обоснование и разработка математической модели расчета корро зионных токов, потенциалов и защиты заземляющих систем для "эквипо
генциального" и "неэквипотенциалыюго" вариантов с учетом взаимного злияния элементов;
исследование процессов коррозии электросетевых конструкций (искусственных заземлителей; ЖБ опор и фундаментов: узлов крепления оття-кек опор ВЛ) и заземляющих систем из них при воздействии фунтовой коррозии и электрокоррозии и разработка методов расчета срока их службы;
разработка коррозионно-стойких ЭК и мероприятий по повыше- ' шю долговечности ЭК и ЗС в агрессивных условиях при одновременном )беспечении электробезопасности на электроустановках;
реализация мероприятий по обеспечению долговечности ЭК и ЗС і агрессивных грунтово-климатических условиях СНГ.
Методы исследования. Методической основой моделирования корро-шонных процессов в ЭК и ЗС служит теория многоэлектродных электрохимических систем, физическое и математическое моделирование, аппарат іьічислительной математики, алгебры матриц и математической статистики.
Научная новизна основных положений и результатов работы заклю-іается в следуюшем:
разработана математическая модель расчета коррозионных токов і потенциалов в "эквипотенциальных" и "неэквипотенциальных" заземля-ОШИХ системах с учетом взаимного влияния элементов, в основе которой іежит система нелинейных уравнений, связывающих значения электродных лектрохимических потенциалов и коррозионных (стекающих или втекаю-цих) токов элементов;
разработан аналитический метод предварительного определения ипа сопротивления поляризации ("анодные" или "катодные") путем анали-а разностной системы уравнений (n-l)-ro порядка, получаемой при вычи-ании уравнения рассматриваемого элемента из общей системы уравнений, : последующим более строгим учетом "нелинейности" явлений поляризацій в зависимости от величины получаемых коррозионных токов с помо-цыо итераций;
— разработана математическая модель расчета защиты для "эквипо-
енциалыюго" и "неэквипотенциалыюго" вариантов;
— на основе исследования процессов- коррозии ЭК:
для ИЗ установлено:
на отдельных ИЗ и в ЗС, расположенных в однородном по типу грун-е, наблюдается эффект "блуждания" анодов и равномерное их разрушение;
в резко неоднородном по типу фунте (отличие по гранулометрии один-два порядка) аноды работают "локально" и вызывают сосредоточенные разрушения ИЗ;
с увеличением в ЗС количества разнородных ЭК (стоек УСО, фундаментов и т.п.) определяющей является контактная коррозия, в которой арматура ЖБ ЭК работает "катодом" и усиливает коррозию ИЗ в 1,2-2,3 раза.
для ЖБ ЭК установлено:
наибольшую опасность представляет "физическая" коррозия (особенно для южных регионов СНГ) за счет образования при +32,3С кристаллогидратов, например, Na2SO4-10H,O и увеличения их объема на 311%;
нижняя граница зоны "физической" коррозии определяется глубиной проникновения в фунт изотермы +32,3С; верхняя — высотой росообразо-вания.
для узлов крепления оттяжек опор ВЛ ВН и УВН установлено:
цинковое покрытие U-образных болтов и анкерных петель (АН) не дает существенного эффекта защиты из-за быстрого (1-1,5 г) "срабатывания" цинка;
максимальное влияние на коррозию U-образных болтов и АН оказывают пары дифференциальной аэрации, усиливаемые "воронками аэрации" вокруг U-образных болтов при их колебаниях при ветровой нафузке и увеличении за счет этого "катодной" поверхности и, в итоге, плотности "анодного" тока в нижней части U-образных болтов и АН;
разработан способ долгосрочного прогноза коррозии стальных искусственных и естественных заземлителеи, основанный на математическом описании тенденции их коррозии;
разработана региональная методика сбора и обработки информации по физико-химическим параметрам фунта (карты М 1:300000 по удельному сопротивлению и засолению фунта);
разработана методика региональной оценки (по специальным картам М 1:300000) степени опасности коррозии ИЗ и ЖБ ЭК.
на основании результатов исследования механизма коррозии ЭК, ЗС и расчета их коррозии разработаны мероприятия по повышению долговечности конструкций в афессивных условиях при одновременном обеспечении электробезопасности на электроустановках:
для подстанций энергосистем, подстанций электроснабжения береговых устройств, тяговых подстанций и ВЛ
— предложена методика конструирования коррозионно-стойких ЗС,
базирующаяся на расчете токов коррозии ее элементов, минимизации ис
пользования ИЗ;
при водействии блуждающих постоянных токов предложена совместная электродренажная защита подземных сооружений с учетом различной степени изоляции от грунта;
при воздействии фунтовой коррозии предложено использовать влагонепроницаемые экраны, стабилизирующиетермо-влажныеусловия вокруг подземных конструкций, и снижающие коррозию в 3-5 раз;
для отдельных ИЗ и узлов крепления оттяжек опор ВЛ предложен метод их защиты с помощью гидрофобной обработки грунта отработанным трансформаторным маслом;
в агрессивных грунтах и при электрокоррозии рекомендованы дренажи с фильтрами, устраняющими вынос опасных потенциалов к рельсам;
при реализации катодной защиты ЗС и отходящих конструкций, например, ВЛ, предложена "встречная" катодная защита.
для отдельных опорных конструкций
разработаны коррозионно-стойкие ЖБ ЭК с защитными металлическими и объемными диафрагмами, ликвидирующими пути капиллярного поднятия агрессивных солей в зону "физической" коррозии;
разработаны комбинированные коррозионно-стойкие опоры из бетона и бетэла, допускающие пропитку гидроизолирующим составом и сохраняющим электропроводные свойства .-и выдерживающие стеканне импульсивного тока (т=3 мск) до 105 А/м2, длительное переменного тока (1=50 Гц) до 30 А/м2, длительное постоянного тока до 5 А/м2;
— разработана реконструкция дефектных ЖБ опор ВЛ с помощью
усиления железобетонными шинами.
Практическая ценность и реализация результатов работы Разработанные математическая модель, алгоритм и программа расчета на ЭВМ коррозионных токов и потенциалов могут быть использованы в проектной и эксплуатационной практике при оценке опасности коррозии и защите от нее ЭК и ЗС.
Результаты исследования процессов коррозии ЭК, метод долгосрочного прогноза коррозии ИЗ и рекомендации по повышению срока службы ЗС со стальными ИЗ использованы в следующих нормативных изданиях:
ПУЭ(гл.1-7, 6-е издание; гл.1-7 Н-5 и IV-2,7-е издание; гл.2,5);
"Руководящие указания по проектированию, сооружению и эксплуатационному контролю заземляющих устройств", применяемые в организациях Минтопэнерго РФ и других ведомств;
— "Типовой проект, Заземляющие устройства опор ВЛ 35-750 кВ,
№3602-ТМ, Альбом-1, пояснительная записка и указания по проектирова
нию". М.-1974. с.38.
Использование региональной методики сбора и обработки информации по коррозионным параметрам грунта позволило создать карты для целых регионов (например, Туркмения) по удельному сопротивлению, засолению грунтов и на их основе карты по региональной оценке степени опасности коррозии ИЗ и ЖБ ЭК.
Основные положения диссертации могут быть использованы при реализации:
пассивных методов защиты:
рациональное конструирование ЗС (реализовано на подстанции ПО кВ "Кызыл-Арват", Туркмения);
выбор сечения ИЗ (используется на всей территории СНГ институтами "Энергосетьпроект");
гидрофобная обработка (на подстанциях энергосистем Азербайджана; ВЛ-500 кВ "Ермак-Омск", Омскэнерго; ВЛ-500 кВ "Ермак-Экибас-туз-Целиноград" (Казахстан);
защитные экраны (на 7-ми подстанциях в Туркмении; 6 шт. на ВЛ-110 кВ "Вышка-Барса"; Туркмения).
коррозионно-стойкие ЖБ опоры с защитными диафрагмами (более 7-ми тыс. шт. опор с металлическими диафрагмами и 200 шт. - с объемными (Туркмения).
активных методов защиты:
— катодная защита (ТЭЦ-2, г.Красноводск; подстанция 110 кВ "Че
хов", Сахалинэнерго; электродренажная защита - тяговые подстанции Зап.-
Сиб. ж.д.; подстанция 1150 кВ "Челябинская".)
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
1984 Session - 29th august 6th September CIGRE 36-12. Paris;
Международных научно-технических конференциях, 1973г. Берлин (Германия); 1976г., 1977г., 1981г., 1984г. Вроцлав (Польша); 1990г. -Варна (Болгария); 1990г. (г.Москва);
Семинарах СИГРЭ (комитет 36) в г.Новосибирске, г.Баку. г.Ашхабаде (1984г.-И989г.).
На научных совещаниях Сибирского НИИ энергетики и Новосибирской государственной академии водного транспорта( с 1972 по 1999г.), а
также на республиканских, областных, региональных конференциях и семинарах.
На семинаре Омского государственного университета путей сообщения (2000 г.)
Коррозионно-стойкие ЖБ опоры с защитными диафрагмами экспонировались на ВДНХ СССР, г.Москва, 1990г. и были удостоены серебряной медали.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 84 печатных работы, в том числе 10 авторских свидетельств и 13 зарубежных публикаций.
Основные результаты работы, выносимые на защиту:
-
Математическая модель расчета коррозионных токов и потенциалов в "эквипотенциальных" и "неэквипотенциальных" заземляющих системах сложной структуры, позволяющая производить комплексный анализ опасности коррозии и выбор мер защиты от нее.
-
Методика и результаты анализа коррозионных процессов в ЭК (ИЗ; ЗС; ЖБК; узлы крепления оттяжек опор ВЛ), метод расчета срока службы ЭК, позволившие разработать рекомендации по повышению долговечности конструкций в агрессивных условий.
-
Методика сбора и обработки информации по коррозионным параметрам грунта и оценки опасности коррозии ЭК, позволившие разработать карты для регионов по удельному сопротивлению фунта, засолению грунта и степени опасности коррозии для стальных и железобетонных электросетевых конструкций.
-
Обоснование эффективности пассивных методов защиты ЭК (рациональное конструирование ЗС; гидрофобная обработка ИЗ; U-образных болтов и АН; защитные экраны для подстанций и ВЛ) и активных методов защиты ЗС, позволившие выбирать наиболее экономичное средство повышения срока службы конструкций в конкретных грунтово-климатических условиях.
-
Коррозионно-стойкие ЖБ опоры с защитными металлическими и объемными диафрагмами, позволившие существенно повысить срок службы ЖБК при воздействии "физической" коррозии. Комбинированные коррозионно-стойкие опоры из бетона и бетэла, допускающие защиту (пропитку) гидроизолирующим составом и сохраняющим электропроводные свойства.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 186 наименований и 7 при-
