Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ причин разрушения и методов оценки состояния узлов крепления оттяжек опор 10
1.1 Анализ состояния конструкций оттяжек опор воздушных линий электропередач 10
1.2 Причины коррозии подземных конструкций опор на оттяжках 16
1.3 Методы оценки состояния U-образных болтов и анкерных петель 19
1.4 Цели и задачи исследования 28
Глава 2 Исследование распределения токов короткого замыкания и коррозионных токов в системах «заземляющее устройство подстанции – грозозащитный трос - опоры высоковольтных линий на оттяжках» 29
2.1 Обоснование расчетных схем системы «заземляющее устройство подстанции – грозозащитный трос - опоры высоковольтных линий на оттяжках» 29
2.2 Расчет распределения токов короткого замыкания в системах «заземляющее устройство подстанции – грозозащитный трос - опоры высоковольтных линий на оттяжках» 33
2.3 Распределение токов коррозии в U-образных болтах оттяжек опор воздушных линий 41
Глава 3 Теоретическое обоснование методов оценки состояния элементов анкерного узла 49
3.1 Математическая модель метода измерения
сопротивления на высокой частоте для оценки состояния U образных болтов 50
3.2 Математическая модель метода поверхностных стоячих
волн для оценки состояния анкерных петель 55
3.3 Влияние почвы на распространение поверхностных волн 61
3.4 Метод балансировки высокочастотного Т-образного моста для измерения сопротивления U-образных болтов 65
Глава 4 Экспериментальная оценка опасности коррозии и ресурса элементов крепления оттяжек 68
4.1 Апробация метода измерения сопротивления на высокой частоте 68
4.2 Апробация метода измерения сопротивления с использованием поверхностной стоячей волны 69
4.3 Региональная оценка опасности коррозии металлических конструкций оттяжек и оценка их ресурса 75
4.3.1 Оценка опасности коррозии стальных искусственных и естественных заземлителей 75
4.3.2 Влияние конструктивных особенностей опор воздушных линий с оттяжками на степень опасности коррозии анкерного узла 81
4.4 Экономические аспекты предлагаемых методов оценки опасности коррозии и ресурса элементов крепления оттяжек 86
Основные выводы и рекомендации 91
Список литературы
- Причины коррозии подземных конструкций опор на оттяжках
- Расчет распределения токов короткого замыкания в системах «заземляющее устройство подстанции – грозозащитный трос - опоры высоковольтных линий на оттяжках»
- Метод балансировки высокочастотного Т-образного моста для измерения сопротивления U-образных болтов
- Региональная оценка опасности коррозии металлических конструкций оттяжек и оценка их ресурса
Причины коррозии подземных конструкций опор на оттяжках
Для анализа причин коррозии конструкций оттяжек опор ВЛ целесообразно изложить особенности конструкций анкеров, на которых произошли аварии. В США авария на ВЛ-345 "Коффин-Норд-Пана" (компания СИПС) произошла на угловой опоре с углом поворота трассы 58 59 . Тяжелая угловая опора рассчитана на угол поворота 15-60 и фиксируется 4-мя бетонными анкерами. Бетонный анкер по своей конструкции такой же, как фундамент под опору. На дне скважины глубиной 2,4 м помещен небольшой арматурный каркас. 2 анкерных стержня из оцинкованной стали 2,5 см и длиной 3 м забиваются в грунт под углом 45 до тех пор, пока их концы не войдут в арматурный каркас. К концам анкерных стержней прикреплена квадратная плоская шайба, скважина заполняется бетоном (1,5 м), а последние 90 см засыпаются грунтом. Общее число анкерных стержней - 8 (2 на каждую фазу и 2 для грозозащитного троса). Они распределены попарно между 4 бетонными анкерами.
Удельное сопротивление грунтов в месте установки бетонных анкеров довольно низкое и уменьшалось с глубиной (22 Омм на глубине 1,5 м). Результаты измерения потенциалов грунта и его удельного сопротивления показали, что условия были благоприятными для коррозии.
По заключению фирмы-консультанта (Sargent and Jundy Чикаго) причиной поломки анкера у опоры АР171, вызвавшей последующую аварию ВЛ, называется воздействие сдвоенного элемента. Первый элемент был гальванической парой, образовавшей на пути тока между анкерным стержнем и стальной частью ближайшего фундамента и/или медного заземляющего электроду (у API 71 заземляющих электродов не было). Второй элемент был элементом, образовавшимся в результате взаимодействия бетон-земля, вдоль анкерного стержня Оба процесса усиливались вследствие довольно низкого удельного сопротивления грунта, которое фактически позволяет проводить более сильный ток коррозии.
В Финляндии причину коррозии конструкций оттяжек опор ВЛ также объяснили функционированием коррозионных, гальванических пар, образуемых медным заземлением и стальной оттяжкой. Нужно отметить, что конструкция оттяжек в Финляндии наиболее близка аналогичным конструкциям в СССР (СНГ). Принципиальное отличие заключается в использовании меди, остальные металлические детали выполнены из стали оцинкованные горячим способом.
В итоге медное заземление и оцинкованные стальные конструкции образуют гальваническую пару с разностью потенциалов 1,1 В. Постоянный ток, порождаемый указанной гальванической парой, ограничивается поляризацией анодного (стального) и катодного (медного) электродов, а также сопротивлением грунта между ними.
Медная конструкция заземления, имеющая существенное значение с точки зрения коррозии, может являться или заземлением отдельной опоры, или решеткой заземления электростанции, расположенной поблизости. В последнем случае гальваническая связь образуется через грозозащитные тросы, соединяющие опоры и заземляющее устройство электростанции.
Таким образом, вблизи электростанций имеются предпосылки появления больших коррозионных токов. Наличие сопротивления между частями растяжек и в конструкции опоры может существенно снизить коррозионный ток. На поверхности деталей слабо натянутых оттяжек образуется изолирующая пленка окисла. С другой стороны, на туго натянутых оттяжках такой пленки не образуется и именно на них и происходит концентрация коррозионного тока. Следовательно, оттяжки, подверженные статическому натяжению (оттяжки на угловых опорах, что имело место в США), наиболее подвержены коррозии. Аварии, вызываемые разрушениями таких оттяжек, являются наиболее крупными.
Исследования (в Финляндии) показали, что гальваническая коррозия концентрируется в содержащих большое количество влаги слоях грунта с низким удельным сопротивлением. При обследовании коррозионного состояния оттяжек измеряли их коррозию, ток, данные о химии почвы, удельном сопротивлении и т.п. (всего 152 переменные). При анализе осуществили корреляцию переменных величин с помощью линейных моделей регрессии. Между измеренным током и коррозией существует явная связь. Большие коррозионные токи порождают большое поражение коррозией, поэтому результат замеров тока может служить и критерием для определения подверженности коррозии. Однако, этот критерий не однозначен, поскольку при этом не решен вопрос о распределении тока. Даже относительно малый ток и количественно незначительная коррозия могут, локально сосредоточившись, значительно повредить оттяжку.
Было обнаружено, что из отдельных свойств почвы только удельное сопротивление в значительной степени взаимосвязано с коррозией. Другие свойства почвы (влажность, содержание гумуса или рН) в одиночку явление коррозии не объясняют. Влияние удельного сопротивления объясняется тем, что оно является величиной суммирующей различные параметры почвы. При уменьшении удельного сопротивления грунта коррозия увеличивается. При возрастании удельного сопротивления земли усиливается поляризация оттяжек, а коррозия замедляется.
Расчет распределения токов короткого замыкания в системах «заземляющее устройство подстанции – грозозащитный трос - опоры высоковольтных линий на оттяжках»
Отказы в работе узлов оттяжек наблюдаются вследствие интенсивной коррозии U-образных болтов и анкерных петель.
Расчёт величин коррозионных токов и потенциалов в заземляющей системе электроустановок необходим для оценки их коррозионного состояния, принятия и оптимизации необходимых мер защиты заземляющего устройства при проектировании и эксплуатации.
Как уже отмечалось, физической основой анализа расчета токов и потенциалов коррозии является теория многоэлектродных электрохимических систем. В основе математической модели лежит система нелинейных уравнений, связывающих значения электродных электрохимических потенциалов и коррозионных (стекающих и втекающих) токов линейных коррозионных систем. Блок-схема метода расчета представлена на рисунке 2.8. І Ввод исходных данных для построения поляризационных J кривых, вычисления сопротивлений растеканию/
Расчет токов коррозии U - образных болтов выполняется с учетом разделения их поверхности на анодные и катодные зоны по глубине (за счет расположения конструкций в поле аэрации), при этом катодная зона (зона влияния аэрации) распространяется до глубины 0,5 м для суглинков и около одного метра для песков. Следует также отметить, что величина токов коррозии зависит от удельного сопротивления среды, в которой находится рассматриваемая система. Результаты расчетов представлены в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Токи коррозии U-образных болтов ВЛ при различных удельных сопротивлениях грунта
Режимработыэлектрода Удельное сопротивление грунта, Омм геометрическиехарактеристикиэлектрода илиобласти Сопротивление растеканию электрода, Ом Сопротивление поляризации, Ом Взаимное сопротивление электродов, Ом Электродный потенциал, В Токкоррозии,мА Компромиссный потенциал системы электродов, В длина, м диаметр, м 100 -0,149 - при уменьшении удельного сопротивления грунта менее 20 Омм (согласно ГОСТ 9.602-2005 сильная коррозия), резко увеличиваются значения катодного и анодного токов. Особенно сильное влияние сказывается при удельном сопротивлении грунта менее 5 Омм. То есть, чем ниже удельное сопротивление грунта, тем интенсивнее идет процесс коррозии, что находится в полном соответствии с ГОСТ 9.602-2005.
При увеличении удельного сопротивления грунта более 20 Омм (средняя коррозия согласно ГОСТ 9.602-2005) снижается анодный ток стали в грунте.
При увеличении удельного сопротивления грунта более 50 Омм (слабая коррозия согласно ГОСТ 9.602-2005) процесс коррозии протекает медленно, что находится в полном соответствии с ГОСТ 9.602-2005.
Расчет токов коррозии поверхности U-образных болтов оттяжек опор воздушных линий с учетом образования «воронки» аэрации
Наличие вибрации оттяжек опор под действием ветра приводит к появлению пустот («воронок») вокруг U - образных болтов, которые существенно увеличивают глубину проникновения кислорода и расширяют катодную зону. В результате глубина аэрации возрастает до 1,2 – 1,5 м (рисунок 2.9), а в более сухих грунтах и до 1,8 – 1,9 м.
Токи коррозии U-образного болта ВЛ при различных удельных сопротивлениях грунта с учетом образования «воронки» аэрации
Режимработыэлектрода Удельное сопротивление грунта, Омм Геометрическиехарактеристикиэлектрода Сопротивление растеканию электрода, Ом Сопротивление поляризации, Ом Взаимное сопротивление электродов, Ом Электродный потенциал, В Токкоррозии,мА Компромиссный потенциал системы электродов, В
Обобщая механизм коррозии анкерного крепления оттяжек опор ВЛ можно констатировать следующее: наибольшее влияние на коррозию U-образных болтов анкерных плит оказывают пары дифференциальной аэрации, усиливаемые расширением зоны аэрации за счет образования «воронок аэрации» вокруг U-образных болтов из-за их колебаний при ветровой нагрузке. Вследствие этого, нельзя оценивать опасность коррозии U-образных болтов и в целом всей заземляющей системы опор ВЛ только по параметрам грунта.
Распределение токов электрокоррозии в системах «заземляющее устройство подстанции – грозозащитный трос – заземляющее устройство опор высоковольтной линии с оттяжками» детально исследовалось в работе [2].
Исследование воздействия блуждающих токов на указанные системы дополнительно было выполнено нами с помощью программы «ОРУ – Проект». Расчеты показали полное качественное совпадение наших исследований с работой [2]. Рисунок 2.10 Ток в расчетных точках при вводе блуждающего тока в точках
При натекании блуждающего тока на заземляющее устройство подстанции (Рисунок 2.10) катодная зона наблюдалась в точках 1 и 2. В точках 3 и 4 отмечается стекание тока (анодная зона) и возможно электрокоррозия (разрушение в точках 3 и 4). Если блуждающий ток натекал на фундаменты 13 и 15 (рисунок 2.11) (катодная зона), то ток транзитом протекал по грозозащитному тросу и стекал (анодная зона) с заземляющего устройства подстанции в точках 2 и 3 и в точке 4 с опоры ближайшей к подстанции. В этих зонах возможно разрушение.
Метод балансировки высокочастотного Т-образного моста для измерения сопротивления U-образных болтов
Приведенные формулы (3.46) и (3.47) дают возможность рассчитать величину затухания поверхностной волны от величины коррозионного слоя. Они же позволяют определить величину к толщине коррозионного слоя и изменение этой толщ оррозионного слоя: au 2tgS Из полученных соотношений можно сделать вывод о том, что величина затухания прямо пропорциональна ины с достаточной степенью точности может быть определено только при высоких частотах (малые ). Кроме этого, на высоких частотах наблюдается слабая зависимость затухания от радиуса провода (радиуса анкерной петли).
При реальных измерениях коррозионного состояния поверхностного слоя исследуемых объектов приходится иметь дело с тройной системой: «металл — диэлектрик — почва» (рисунок 3.4) [10;32;33]. Металлический проводник диаметром «a» покрыт слоем диэлектрика толщиной t и характеризуется диэлектрической проницаемостью єк и тангенсом угла потерь tg. Считаем, что на границе «почва — коррозионный слой» волны распространяются с одинаковой скоростью (чтобы удовлетворить граничным условиям). Рисунок 3.4 - Распространение поверхностной волны в системе «металл — диэлектрик — почва»
Полученную систему можно решить графически. При R имеется только одна точка пересечения кривых. Это означает, что при R вдоль диэлектрического слоя может распространяться лишь одна волна. Двум точкам пересечения кривых при 2 R , т.е. двум корням системы, соответствуют две волны, которые могут распространяться вдоль диэлектрического слоя. Зная р и q из уравнения (3.56) легко найти связь между Ai и А2 .
Из уравнения (3.56) следует, что вне диэлектрического слоя напряженность электрического поля уменьшается по экспоненциальному закону. Чем больше р, тем больше ослабление поля. Поле как бы прижимается к поверхности диэлектрика. С увеличением р увеличивается также h и, следовательно, уменьшается фазовая скорость поверхностной волны.
Таким образом, поверхностная волна возникает и распространяется вдоль границ раздела разных сред: «диэлектрик — проводник» или сред с разной оптической плотностью. Кроме того, чем больше затухание поверхностной волны в слое диэлектрика, тем меньше радиус распространения ее в почву. Поверхностная волна как бы «прилипает» к диэлектрику, что практически устраняет влияние грунта на результаты измерений затухания в коррозионном слое и позволяет измерить величины затухания поверхностных волн в анкерных петлях и болтах в реальных условиях.
Метод балансировки высокочастотного Т - образного моста для измерения сопротивления U - образных болтов
При измерениях электрического сопротивления на высоких частотах стоит отдать предпочтение Т-образным мостовым схемам [10;49;50]. В этих устройствах источник сигнала на входе и индикатор напряжения на выходе имеют общую точку, к которой может быть присоединен один из полюсов измеряемого объекта. Одновременно, вся измерительная цепь помещается в металлический экран, который заземляется вместе с общей точкой генератора, приемника и объекта измерения. В таком случае «паразитные» емкостные утечки между измерительной цепью и экраном шунтируют выход источника и вход индикатора, оказывая влияние лишь на чувствительность, которая остается достаточной для проведения качественных измерений.
Так как особенностью Т-образных мостов является высокая чувствительность в узких пределах параметров схемы и рабочих частот вблизи равновесия моста (отсутствия напряжения на выходе), то это исключает возможность плавной настройки по частоте и создает необходимость использования фиксированной частоты измерения. С учетом глубины проникновения измерительного тока в исследуемый объект (5 10 мм) выбрана частота 1,6 МГц. Схема моста содержит сдвоенный конденсатор переменной емкости С и переменное сопротивление R (рисунок 3.5).
Региональная оценка опасности коррозии металлических конструкций оттяжек и оценка их ресурса
Это полностью подтверждается расчетным путем: на высоких частотах сопротивление анкерной петли с учетом болтов составляет 9,35 Ом, а сопротивление поверхностного коррозионного слоя анкерной петли — 200 Ом.
Полевые испытания предложенного метода проводились на действующей ВЛ-220 кВ «Кентау — Чимкент» и заключались в последовательном исследовании U-образных болтов с помощью метода поверхностных волн с откопкой для подтверждения результатов измерений. Результаты измерений приведены в таблице 4.3. Таблица 4.3 Чимкент»
Для исследования влияния действующей линии и искусственных заземлителей были проведены опыты, имитирующие промышленную сеть под нагрузкой. При этом не было отмечено значительных изменений, а помехи вызывали лишь незначительные колебания сигнала, снижая его уровень не более, чем на 0,1% [55]. Результаты полевых испытаний подтвердили данное утверждение.
Все приведенные доказательства подтверждают различие реакций исходной и пораженной коррозией петель на зондирование СВЧ сигналом. Это позволяет использовать указанный эффект для исследования состояния анкерных петель, находящихся в земле без откопки, применяя в качестве возбуждающих элементов анкерные болты, выходящие на поверхности земли.
Условия возникновения поверхностной волны в анкерной петле и возможность ее распространения только в поверхностном слое позволяют определить критическую толщину петли, а, следовательно, и ее способность выдерживать механические нагрузки, что, в свою очередь, дает возможность предотвращать падение опор линий электропередачи. 4.3 Региональная оценка опасности коррозии металлических конструкций оттяжек и оценка их ресурса
Для оценки опасности коррозии металла используют нормативные материалы: ГОСТ 9602-89, в которых используются физико-химические параметры грунта. основными из которых являются удельное сопротивление, гранулометрический состав грунта, засоленность грунта. Указанные параметры грунта могут быть получены из геофизических фондов, в которых имеются результаты вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ), выполненных для территорий, по которым проходят существующие линии электропередач.
Карты по удельному сопротивлению грунтов Информация о величине удельного сопротивления грунтов () необходима для расчета токов коррозии электросетевых конструкций (ЭК), прогноза их коррозии, расчета параметров электробезопасности заземляющих систем (ЗС) и, кроме того, может быть использована для качественной оценки опасности грунтовой коррозии стальных сооружений по ГОСТ 9.602-89. Значения «» могут быть определены как непосредственными измерениями на площадке электроустановки методом ВЭЗ, так и по данным геофизических фондов, в которых хранятся данные по «» для целых регионов. Если получение «» для отдельных площадок не представляет больших трудностей, то, например, для ВЛ - это трудоемкая задача. С этой точки зрения целесообразно определение «» по данным геофизических фондов и представление информации в виде специальных карт. Методику составления карты по «» покажем на примере карты, составленной для (СНГ) (Туркмении) по усредненному значению «» верхних слоев грунта для глубины 5-10 м.
Площадки на картах различных масштабов, на которых были представлены результаты геофизических исследований, разбивались на равные квадраты с такими размерами сторон, чтобы на итоговой карте М 1:300 000 стороны квадрата имели 2 см.
Из каждого квадрата исходных карт выписывались данные ВЭЗ. По полученным данным строились гистограммы (пример рис.1), по которым определялись наиболее вероятные значения «». Они наносились в центр соответствующего квадрата карты итогового масштаба М 1:300 000.
Информация по механическому и химическому состоянию грунтов необходима для расчета срока службы ЭК, расчета сопротивления поляризации металлов и, кроме того, может быть использована для качественной оценки опасности коррозии кабелей, трубопроводов по ГОСТ 9.602-89 и ЖБК по СниП 2.03.11.-85. Карты по засолению грунтов.
Значения физико-химических параметров грунтов могут быть определены как непосредственными измерениями по ГОСТ, что трудоемко, так и по результатам региональных исследований грунтов соответствующими организациями (например, институтами "Гипрозем", "Гипроводхоз" и т.п.). Для исследования коррозии и долговечности ЭК создавались специальные карты засоления грунтов масштаба М 1:300000, по которым можно определить следующие параметры грунта: тип, влажность, степень насыщения, содержание ионов НСО3; Na+K; Са2 ; Mg2 , а также наличия гипса, карбонатов, сухого остатка. Химический состав грунтов по административным районам для степени засоления (незасоленное, среднее, сильное, солончаковое) приведен в приложении к картам засоления.
Методику составления карт по засолению грунтов покажем на примере двух типов карт, выполненных в Туркмении, проектным институтом "Туркменгипроводхоз" для стальных ИЗ и СибНИИЭ для ЖБК.
Карта засоления грунтов института "Туркменгипроводхоз" ММиМВ Туркмении составлена экспедиции, института пустынь АН ТССР, АН УзССР и института "Средазгипроводхлопок". На этих картах соответствующими значками показана степень засоления и механический состав почв (рис. 4.3). Контуры почв выделены на карте в результате исследований, проведенных в соответствии с общесоюзной методикой [2]. На каждый квадратный километр съемки приходится 3-7 почвенных разрезов на глубину от 2 до 5 м. Пустынная зона - Центральные Каракумы была составлена из расчета I разрез на 4 км2. Для характеристики грунтов по механическому и химическому составу использовались классификации Впо почвенным материалам Республиканской комплексной землеустроительной.В. Охотина [2] и института "Средазгипроводхлопок" [2].