Введение к работе
Актуальность темы. Работа электростанций и электроэнергетических систем немыслима без заземляющих устройств (ЗУ). Важнейшей характеристикой ЗУ является их электрическое сопротивление, которое пропорционально удельному электрическому сопротивлению грунта, а меняется в широких пределах в зависимости от температуры t, влажности v и вида грунта. Большой вклад в определение внесли Карякин Р.Н., Солнцев В.И., Долин П.А., Саркисова Л.А. и др. Известные формулы и сезонные коэффициенты, рекомендуемые ПУЭ, по которым можно рассчитать , дают лишь приблизительную картину его изменения от выше перечисленных параметров, что влечет за собой усложнение конструкции устройства заземления и увеличение количества металла для его изготовления. Анализ широко известных программ для определения параметров заземлителей, например «ОРУ-Проект» (НПФ ЭЛНАП, Москва, 2008г.), «Zazemlitel 1.0» (используется в Энергопроект-Севере и ОАО НМУ-2 "Сибэлектромонтаж") показывает, что в них или измеряют и потом вводят поправочные коэффициенты, учитывающие климатическую зону и влажность на момент измерения, или выбирают среднее его значение, пренебрегая зависимостью от t и v. Это приводит к погрешностям расчета до 60%. Предложенная в последнее время Павлодарским государственным университетом им. С. Торайгырова методика*, разработанная на основе использования нечеткой логики, позволяет более точно определять грунта в зависимости от его температуры t и влажности v. Но она требует большого количества трудоемких измерений t и v грунта и не учитывает влияние его плотности.
В связи с вышеизложенным, возникает необходимость, не делая трудоемких измерений, определять в любое время года значения t и v грунта на глубине ЗУ и зависимость грунта от его плотности, а также разработать алгоритм расчета с учетом изменений вышеперечисленных параметров и программу для определения сопротивлений заземлителей.
Таким образом, тема диссертации, посвященная решению этих задач, является актуальной.
Объектами исследования являются удельное электрическое сопротивления грунта и сопротивление заземлителей.
Предмет исследования: разработка методов, позволяющих без трудоемких измерений определять температуру, влажность и плотность грунта для расчетов на электрических станциях и в электроэнергетических системах.
В данной работе не рассматривается зона вечной мерзлоты в связи с тем, что грунты в этих районах имеют большие особенности.
Цель работы - разработка методов, совершенствующих определение сопротивлений заземлителей.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
- анализ существующих методов расчета и сопротивлений ЗУ для выявления их недостатков;
- разработка методов расчета влажности грунта (на глубинах до 15м) и его температуры (по данным метеоцентров и на основе теплофизических характеристик грунта, полученных в лабораторных условиях) в средних широтах, не требующих трудоемких измерений;
- уточнение зависимости грунта от его плотности;
- разработка алгоритма вычисления грунта на основе вышеуказанных методов и программы для определения сопротивления ЗУ в однородном, двухслойном и многослойном грунтах на электрических станциях и в электроэнергетических системах.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, численные методы, теория нечеткой логики. Проводились компьютерное и физическое моделирования. Программа выполнена в среде программирования Turbo Delphi.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются незначительным отличием экспериментальных данных от результатов расчетов, проведенных по разработанным методам. Эти результаты свидетельствуют о правильности принятых допущений и использования нечеткой логики для решения поставленных задач.
Научная новизна:
- разработаны методы определения зависимостей влажности грунта на глубине до 1м от средней скорости ветра, количества осадков и температуры на поверхности грунта и на глубинах от 1м до 15м от уровня грунтовых вод. В отличие от известных, они основаны на использовании нечеткой логики;
- получена новая зависимость температуры грунта от его глубины и времени года, основанная на использовании теории теплопроводности Фурье и данных метеостанций, но без применения коэффициента температуропроводности;
- получены зависимости темплоемкости и температуропроводности грунта от влажности, на основе которых по известным формулам рассчитывается температура грунта. При разработке зависимостей впервые использована нечеткая логика;
- уточнены формула для расчета сопротивлений заземлителей и зависимости удельного сопротивления песка, супеси и суглинка от их плотности.
Практическая ценность работы:
- один из разработанных методов позволяет определять влажность грунта по данным метеостанций на глубине до 1м с погрешностью, не превышающей 50%, другой – по данным геологоразведочных центров на глубинах от 1 до 15м с погрешностью до 20% для сухих грунтов и 10% для влажных.
- третий и четвертый дают возможность находить температуру грунта на глубинах до 15м в средних и до 10м в южных широтах с погрешностью 4-15% и на глубине до 1м с погрешностью до 10%.
- полученные зависимости супеси, песка и суглинка от их плотности уточняют расчетную величину на 3-9%;
- алгоритм и программа, разработанные на основе использования предложенных методов, дают возможность определять грунта и сопротивление ЗУ на электрических станциях и в электроэнергетических системах с погрешностью до 30% без трудоемких измерений температуры и влажности на глубине заземлителей.
Научные положения, выносимые на защиту:
- методы определения влажности грунта на базе нечеткой логики в зависимости от климатических условий и уровня грунтовых вод;
- зависимость температуры грунта от времени года и глубины до 15м в средних широтах и до 10м в южных по данным метеостанций;
- метод определения теплофизических характеристик грунта для расчета его температуры;
- зависимость удельного сопротивления грунта от его плотности;
- алгоритм расчета грунта с использованием вышеуказанных методов.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в Павлодарском государственном университете им. С.Торайгырова в учебном процессе на кафедре «Автоматизация и управление». В ближайшее время предполагается использовать разработанную программу на электростанциях Экибастузского энергетического комплекса и на Ермаковской ГРЭС, а также в Павлодарском ТОО «ДорРемСтрой ПВ», где экономический эффект от внедрения составит около 309500 руб.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность!» (г. Омск, 2008г.), на XII и XIII Международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» (Украина, г.Алушта, 2008г. и 2010г.), заседаниях научных семинаров кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (Казахстан, г.Павлодар, 2011г.), кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (г.Омск, 2011г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи из перечня ВАК РФ и 6 статей в научных изданиях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.
Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач и методология их решения разработаны автором самостоятельно.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 109 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 3 таблицы, список использованных источников из 97 наименований и 6 приложений.
