Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и задачи научного исследования 10
1.1 . Общая характеристика заземляющих устройств электроустановок Крайнего Севера 10
1.2.Сущность проблемы. Постановка задач научного исследования 12
2. Построение расчетных моделей грунтов для определения электрических параметров заземлителей 18
2.1. Исходные положения 18
2.2. Приведение многослойного геоэлектрического разреза к эквивалентному однородному или двухслойному 19
2.3. Построение обобщенных однородных или двухслойных разрезов грунтов для определения параметров заземлителей 28
2.4. Определение связи между разносом токовых электродов установки ВЭЗ и характерным размером заземлителя 33
Выводы 45
3. Разработка методики расчета и построения схем замещения сложных заземляющих сетей 47
3.1. Исходные положения 47
3.2. Методика расчета емкостных токов однофазного замыкания на землю в сетях напряжением 6 кВ 48
3.3. Расчет электрических характеристик наземных протяженных трубопроводов 55
3.4. Расчет электрических параметров отдельных элементов сложной заземляющей цепи 72
' 3.4.1. Определение электрических параметров характеристик обсадных колонн технологических скважин 72
3.4.2. Расчет сопротивлений растеканию свайных фундаментов промышленных зданий и сооружений 74
3.5. Построение схем замещения заземляющих сетей северных промышленных комплексов 77
Выводы 84
4. Разработка методики оценки возможности использования технологических коммуникаций в качестве естественных заземлителей 86
4.1. Исходные положения 86
4.2. Количественная оценка вероятности одновременного появления отказов в электрических сетях и технологических коммуникациях 87
4.3. Расчет минимальной энергии взрывания газо-воздушных смесей при искровом способе зажигания 108
4.4. Определение допустимых величин токов, протекающих по технологическим коммуникациям 113
Выводы 116
5. Практическая реализация методики оценки защитного действия сложных заземляющих сетей 119
5.1. Исходные положения 119
5.2. Расчет токораспределения и потенциалов на элементах ЗС 120
5.3. Экспериментальная оценка защитного действия сложных заземляющих сетей 124
5.3.1. Общие положения 124
5.3.2. Результаты измерений параметров заземляющих устройств 125
5.4. Оценка экономической эффективности результатов научных исследований 137
Выводы 140
Заключение 142
Библиографический список 146
Приложения 154
- Общая характеристика заземляющих устройств электроустановок Крайнего Севера
- Приведение многослойного геоэлектрического разреза к эквивалентному однородному или двухслойному
- Методика расчета емкостных токов однофазного замыкания на землю в сетях напряжением 6 кВ
- Количественная оценка вероятности одновременного появления отказов в электрических сетях и технологических коммуникациях
Введение к работе
Актуальность работы. Специфические условия горных предприятий и газопромыслов Крайнего Севера, обусловленные суровым климатом, много-летнемерзлым состоянием грунтов, особенностями технологического процесса добычи полезных ископаемых и транспорта газа, прокладки технологических коммуникаций, диктуют повышенные требования к надежной и безопасной эксплуатации электрооборудования. При этом возникает комплексов вопросов, связанных с проектированием, сооружением и эксплуатацией заземляющих устройств электроустановок. Об актуальности данной проблемы свидетельствуют работы ведущих ученых в этой области [7,17,18,38].
На научно-технических конференциях, состоявшихся в городах Москве, Норильске, Новосибирске, Якутске и других [21,24,34,61,64], одним из вопросов, отмеченных в решениях, является оценка возможности использования естественных заземлителей в районах Крайнего Севера, как основных элементов заземляющей сети электроустановок. Кажущаяся очевидность его положительного решения в условиях Крайнего Севера наталкивается на запрещение ПУЭ [1] использовать для этих целей металлические трубопроводы с горючими и взрывчатыми газами, жидкостями и смесями, а также требования пунктов 1.6.3 и 7.8 [3]. В то же время, как показывает практика на горных предприятиях открытых горных работ и газопромыслах, технически трудно исключить связи между заземляющими устройствами и технологическими коммуникациями. Даже в тех случаях, когда это удается, последние попадают в зону растекания токов однофазного замыкания на землю. Создание же крупных заземляющих устройств, эквивалентных по своей эффективности технологическим коммуникациям, имеющим связь с землей, требует значительных затрат, которые могут оказаться нецелесообразными как в техническом, так и в экономическом плане. Настоящая работа выполнялась в соответствии с научно-технической проблемой 0.74.08 задания 01.01.Д5: «Разработать нормы проектирования, способы выполнения и правила эксплуатационного контроля заземляющих устройств в зонах многолетнемерзлых грунтов».
Целью работы явилось решение проблемы оценки защитных свойств сложных заземляющих сетей, состоящих из искусственных и естественных за землителей, выявление условий возможности использования технологических коммуникаций северных промышленных комплексов в качестве естественных заземлителей в неоднородных структурах многолетнемерзлых грунтов.
Основными задачами научного исследования, решенными в работе для достижения поставленной цели, явились:
1. Анализ современного состояния вопроса по оценке защитных свойств сложных заземляющих сетей (ЗС) северных промышленных комплексов.
2. Разработка расчетных математических моделей эквивалентных геоэлектрических разрезов для оценки электрических характеристик естественных заземлителей на базе реальных структур грунтов в районах Крайнего Севера.
3. Определение электрических параметров отдельных элементов ЗС с учетом эквивалентных моделей грунтов.
4. Разработка методики построения схем замещения сложных ЗС с учетом обратного земляного провода и токов возврата в сетях с изолированной нейтралью.
5. Разработка методики использования технологических коммуникаций в качестве естественных заземлителей.
6. Построение методики оценки защитных свойств сложных ЗС северных промышленных комплексов.
Объект исследования: заземляющие сети северных промышленных комплексов на примере газоконденсатного комплекса «Мессояха-Соленинское» объединения «Норильскгазпром» и рудника открытых горных работ «Медвежий ручей» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».
Предмет исследования:, защитные свойства сложных заземляющих сетей северных промышленных комплексов.
Методика исследований в основном базировалась на теориях заземлений, оценки взрывобезопасности электрической аппаратуры, электромагнитного поля; ключевых задачах по определению электрического поля точечного источника на поверхности многослойного геоэлектрического разреза; высокопроизводительных методах численного интегрирования; основах корреляционного и регрессионного анализа случайных величин.
В экспериментальных исследованиях применялись методы измерений параметров ЗС.
Научная новизна работы:
Разработана методология комплексной оценки защитного действия сложных заземляющих сетей северных промышленных комплексов, состоящих из искусственных и естественных заземлителеи, связанных между собой технологическими коммуникациями и специально проложенными проводниками, которая включает в себя:
- построение математических моделей эквивалентных геоэлектрических разрезов на базе физической сущности метода вертикального электрического зондирования (ВЭЗ);
- решение уравнений электродинамики электромагнитного поля протяженных проводников для получения аналитических выражений, позволяющих определять электрические параметры трубопроводов, как элементов общей заземляющей сети;
- построение вероятностных моделей аварийных ситуаций в электрических и технологических сетях для определения пороговых значений воспламеняющих токов при искровом способе зажигания газо-воздушных смесей опасных концентраций, с целью оценки возможности использования технологических коммуникаций в качестве естественных заземлителеи;
- технологию построения схем замещения для расчета токораспределения и потенциалов на элементах ЗС при аварийных режимах в сетях с изолированной нейтралью.
Практическая ценность работы:
1. Разработан метод получения расчетных моделей грунтов для определения электрических характеристик естественных заземлителеи, учитывающий все многообразие геоэлектрических разрезов на исследуемой площадке. 2. Получены выражения, позволяющие с достаточной точностью определять электрические параметры протяженных трубопроводов, технологичесих скважин с учетом их конструктивных особенностей.
3. Разработана методика построения схем замещения сложных ЗС для электроустановок, питающихся напряжением 6-35 кВ от сетей с изолированной нейтралью.
4. Предложена методика оценки возможности использования технологических коммуникаций в качестве естественных заземлителей.
Все вышеперечисленное объединяется в методику, позволяющую объективно оценивать защитные свойства сложных ЗС в условиях Крайнего Севера.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, адекватного решаемым задачам, удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов, опытом промышленной эксплуатации реальных заземляющих сетей газоконденсатного комплекса «Мессояха-Соленинское» и рудника «Медвежий ручей» Норильского промышленного района.
Реализация полученных результатов. Работа выполнялась в рамках хоздоговорных НИР: «Исследование условий электробезопасности газоконденсатного комплекса «Мессояха-Соленинское», № государственной регистрации 81020441, инвентарный № Б987861; «Проведение исследований и разработка методических указаний по использованию электрических сетей 0.4 кВ с глухо-заземленной нейтралью для электроснабжения потребителей вне карьеров и на отвалах», № государственной регистрации 01.200101520, инвентарный № 02.2.00101159. Опытная реализация методики оценки защитного действия сложных ЗС подтверждена заключениями Госэнергонадзора № 17-14 от 17.12.1979 г. и Госгортехнадзора России № 08 - 10/1253 от 11.11.2002 г. с учетом заключения Института горного дела УрО РАН.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 22 печатных работах. Результаты научно-исследовательских работ изложены в 5 отчетах по НИР, в которых автор являлся ответственным
исполнителем. По результатам НИР «Исследование условий электробезопасности газоконденсатного комплекса «Мессояха-Соленинское» автор награжден дипломом Высшей Школы.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика выбора расчетной модели грунта для оценки электрических параметров естественных заземлителей северных промышленных комплексов на базе реальных многолетнемерзлых грунтов.
2. Алгоритмы вычисления электрических параметров протяженных заземлителей, доведенные до уровня, принятого к использованию в практических инженерных расчетах.
3. Методика построения схем замещения сложных ЗС и анализа токорас-пределения при аварийных режимах в сетях с изолированной нейтралью,
4. Методика оценки условий возможности использования технологических коммуникаций в качестве естественных заземлителей с учетом реальной картины токораспределения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 90 наименований и 5 приложений. Основной текст работы изложен на 153 страницах, проиллюстрирован 27 рисунками и 22 таблицами; приложения представлены графиками, таблицами на 48 страницах.
Содержание работы
В первой главе произведен анализ современного состояния проблемы расчета, проектирования, сооружения и эксплуатации сложных ЗС в условиях Крайнего Севера, определена цель работы и сформулированы задачи научного исследования.
Во второй главе на основании физической сущности метода ВЭЗ получены аналитические выражения приведения многослойного геоэлектрического разреза к эквивалентной однородной или двухслойной модели грунта. В третьей главе на базе уравнений электродинамики получены аналитические выражения для определения электрических параметров естественных заземлителей.
В четвертой главе оценена возможность использования технологических коммуникаций, предназначенных для транспортировки горючих газов и жидкостей, в качестве естественных заземлителей.
В пятой главе приведена оценка защитного действия сложных ЗС на примере северных промышленных комплексов. Расчетные значения токорас-пределения по элементам ЗС, полных потенциалов и входных сопротивлений сопоставлены с экспериментальными результатами.
В заключении перечислены основные результаты и выводы диссертационной работы.
В приложениях приведены следующие материалы: таблицы корреляционных зависимостей между разносами электродов установки ВЭЗ и характерными размерами естественных заземлителей; результаты промежуточных расчетов в виде таблиц и рисунков; протоколы экспериментов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях «Надежность и электробезопасность электрооборудования в районах Крайнего Севера» (г. Норильск - 1977, 1979, 1981, 1996, 2001 гг.), Всесоюзной научно-технической конференции (Днепропетровск - Марганец, 1979 г.), Первой Российской конференции по заземляющим устройствам (г. Новосибирск, 2002 г.).
Результаты исследований внедрены в практику работы производственного объединения «Норильскгазпром» и ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».
Автор считает своим долгом выразить благодарность В.В. Забусову и сотрудникам кафедры Эй ATI 111 Норильского индустриального института за постановку задач научного исследования и обсуждение полученных результатов, а также за постоянное внимание, помощь и поддержку при написании работы.
Общая характеристика заземляющих устройств электроустановок Крайнего Севера
Как показывает практика эксплуатации электроустановок на карьерах и газопромыслах Крайнего Севера, защитное заземление состоит из искусственных и естественных заземлителей, объединенных в единую сложную заземляющую сеть (ЗС) с помощью заземляющих проводников, четвертого провода и различных технологических коммуникаций. Причем к заземляющим связям, несмотря на запрещения ПУЭ [1], относятся трубопроводы, предназначенные для транспортирования горючих газов и жидкостей. Причиной такого положения служит тот факт, что связь между искусственными заземлителями и технологическими коммуникациями (ТК) существует постоянно, за счет непосредственного контактирования или нахождения ТК в зоне растекания тока замыкания на землю. Более того, Правилами безопасности в нефтедобывающей промышленности [2] предусматривается всю технологическую аппаратуру и трубопроводы, содержащие горючие пары и газы, заземлять в целях защиты от статического электричества, при этом допускается использование заземляющих устройств электроустановок. Таким образом, технологические коммуникации северных газопроводов участвуют в формировании токовых путей при однофазных замыканиях на корпус или землю в электрических сетях. Ответвления токов замыкания в подземные выработки горнодобывающих предприятий создают вероятность поражения электрическим током, воспламенения метана, преждевременного взрывания детонаторов при производстве взрывных работ. Так, «Инструкция по безопасной эксплуатации электроустановок открытых горных работ» [3] предлагает произвести развязку ЗС, выделяя при этом сети с различным исполнением нейтралей трансформаторов. Однако произвести такую развязку во многих практических случаях нереально.
Возникающее противоречие действительности с правилами может быть устранено путем комплексной оценки совокупности факторов, влияющих на возможность полного или ограниченного использования технологических ком муникаций в качестве естественных заземлителей. К этим факторам, прежде всего, относятся климатические особенности, повреждаемость в элементах электрической сети и технологических коммуникациях, токораспределение по элементам ЗС, способность к воспламенению газовоздушных смесей при искровом способе зажигания. Важнейшими факторами, влияющими на воспламеняющие действия искры при нарушении целостности цепи, являются: состав и концентрация газовой смеси, искрообразующие устройства, параметры электрической цепи [4].
Климат Норильского района расположения промышленных объектов суровый и характеризуется отрицательной среднегодовой температурой воздуха (-9,8С), значительным колебанием температуры в течение года (амплитуда колебания составляет 90С), повышенной циклонической деятельностью [5]. Все это обуславливает мерзлое состояние грунта и сезонное изменение его параметров. По данным инженерно-геологических изысканий, проведенных в Норильском промышленном районе Государственным институтом по проектированию оснований и фундаментов «Фундаментпроект» и Норильской комплексной геологоразведочной экспедицией [6,7], геоэлектрические разрезы можно отнести к следующим основным типам: . трехслойные - К (р! р2 рз); четырехслойные - АК(рі р2 Рз Р4); пятислойные - ААК(рі р2 Рз Р4 Р5) и НАК(р1 р2 рз Р4 Р5) Присутствие в грунтах мерзлых образований искажает кривую вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), снимаемую для оценки параметров геоэлектрического разреза, и поэтому часть кривых ВЭЗ интерпретируются лишь качественно, что не всегда позволяет судить об истинной электрической структуре грунта.
В Норильском промышленном районе, начиная с глубины 1,0-1,5 м, достаточно широко представлены суглинки различной степени льдистости, удельное сопротивление которых колеблется в пределах 500-1000 Ом-м. Встречаются области повышенных значений удельных сопротивлений (р) до 4600 Ом-м. Области максимальных значений р порядка 8000-12000 Ом-м связаны с появлением
линзообразных тел льда. Мощность монолитного слоя мерзлоты составляет
в среднем 100-140 м. Все вышесказанное указывает на сложность геоэлектрического разреза исследуемых площадок и изменение р как по глубине, так и по простиранию.
Известно, что картина токораспределения в элементах ЗС, получаемая расчетным путем, наиболее точно соответствует реальной при максимальном учете всех возможных путей растекания тока в момент однофазных замыканий. С этой целью составляемая схема замещения ЗС строится на базе ситуационных планов промышленных комплексов. Расчетные соотношения, позволяющие определять электрические характеристики отдельных элементов ЗС, включают параметры геоэлектрического разреза. Однако многообразие геометрических и конструктивных форм искусственных и естественных заземлителей, имеющих место на северных промышленных комплексах, делает задачу расчета их электрических характеристик в неоднородных грунтах многофакторной.
Выполнение надежных и экономичных искусственных заземляющих устройств электроустановок, сооружаемых и эксплуатируемых в районах многолетней мерзлоты, диктует необходимость учета особенностей грунтовых структур и построения более точных расчетных методов. Что же касается естественных заземлителей, то определение их геоэлектрических характеристик также производится на базе реальных геоэлектрических разрезов. Однако в большинстве случаев при определении параметров протяженных заземлителей дополнительно учитываются их собственные электрические характеристики (распределенная индуктивность, проводимость и емкость относительно земли).
Приведение многослойного геоэлектрического разреза к эквивалентному однородному или двухслойному
Практическое применение уравнений (2.9), (2.10) затруднено ввиду наличия степенного ряда и невозможности разложения знаменателя подынтегральной функции на простые множители.
В качестве одного из способов решения интеграла может быть предложен численный метод [41], однако в силу осцилляции функции Бесселя считать интеграл (2.10) простым разбиением на участки возможно только до первого перехода через нуль, а далее необходимо провести ряд преобразований. Представим выражение, стоящее в правой части уравнения (2.10), в виде разности двух интегралов: Dn(m) J T J.(mr/4)dm -"№ J0(mr 2 )dm oDn(m)
Такая запись позволяет исключить погрешность, связанную с вычитанием близких по величине чисел. Так как подынтегральные выражения аналогичны, подробно рассмотрим вычисление первого интеграла, при этом индекс при г( опустим. Разобьем отрезок интегрирования на два интервала: первый от 0 до 2,4/Г;, второй - 2,4/Г; до 32/гі} и в каждом отдельно произведем вычисление интеграла. Аргумент функции Бесселя mr. « 2,4 соответствует первому переходу через нуль. Верхний предел интегрирования mr, « 32 обеспечивает точность вычисления интеграла, связанную с ограничением порядка 10"7 [42]:
Так как значения k3i при всех практически возможных параметрах многослойной структуры грунта удовлетворяют неравенству кэ. 1, ряд, стоящий в выражении (2.19), монотонно убывает и является сходящимся. Это позволяет ограничиться определенной степенью полинома, однако относительная погрешность 5т, связанная с ограничением числа членов ряда, при к 0 непосредственно определена быть не может. Поэтому вводится оценка «сверху» абсолютного значения погрешности, определяемая из соотношения [44]:
Укрупненная блок-схема алгоритма приведения многослойного геоэлектрического разреза к эквивалентной однородной или двухслойной расчетной модели грунта представлена на рис. 2.2. Как следует из рис 2.2 алгоритм приведения позволяет получать расчетные модели грунтов при любой информации об исходных геоэлектрических разрезах. При использовании кривых ВЭЗ, снятых геофизическими партиями и представленных в виде таблиц, возможно представление информации массивами данных, которые могут вводиться автоматически.
Следует отметить, что алгоритм приведения позволяет использовать следующие стандартные программы: вычисление функций Бесселя; определение интегралов и полинома с плавающей степенью; MathCAD.
Решение полинома возможно также производить методом итерации (методом последовательных приближений). Благоприятствует применению этого метода тот факт, что из физических соображений всегда известен интервал изоляции корня [-1, 1]. Взяв за начальное приближение кэ1 =0, процесс итерации быстро сходится. Кроме того, для вычислений функций Бесселя Jo(mr), Ji(mr) могут использоваться аппроксимирующие формулы [45].
В качестве исходных данных задаются: параметры многолетнемерзлого грунта; расстояние между токовыми и приемными электродами установки ВЭЗ (Lj, 1;); общая допустимая погрешность вычисления кэ! или рэ. (с2); погрешность или точность вычисления интеграла (Cj). Результатом счета, выдаваемого на печать, является кэ1 или рэ1 соответственно для каждой пары точек (Li51;).
Для построения обобщенных двухслойных электрических разрезов грунта возможно использование карт изолиний мощности ht и удельных сопротивлений pj, деятельного слоя (рис. 2.3, а, б). Рассматриваемая область разбивается на участки с постоянной h1 или рІ5 в пределах которых определяется двухслойная или однородная эквивалентная структура. Далее в соответствии площадей каждого участка, как средневзвешенная величина, определяется обобщенный однородный или двухслойный геоэлектрический разрез.
Если всю ЗС можно разбить на отдельные зоны, то рассчитывается обобщенный разрез для каждой из них, что в конечном итоге уточняет расчеты.
Последовательность построения обобщенного геоэлектрического разреза следующая: - с карт изолиний мощности (hj) и удельных сопротивлений р! деятельного слоя считываем площади их равных значений;
На базе расчетных данных в качестве примера построены обобщенные эквивалентные двухслойные разрезы для Мессояхского и Соленинского газопромыслов, параметры которых входят в дальнейшие соотношения, определяющие электрические характеристики естественных заземлителей (табл. 2.1).
Окончательный выбор значений рэ, кэ из полученных обобщенных разрезов производится на основании характерного размера заземлителя: длины большей стороны фундамента зданий, технологических коммуникаций и т.д. [46]. Для этой цели устанавливаем связь между значениями, определяющими расстояние АВ = L установки ВЭЗ, и характерным размером заземлителя В, на базе корреляционного и регрессионного анализа. Благоприятным моментом в данном случае является существование физической аналогии процесса стекания токов с естественных заземлителей и токовых электродов установки ВЭЗ, так как в условиях Крайнего Севера естественные заземлители погружены на небольшую глубину или выполнены наземно. Этот факт позволяет представить их в виде суммы точечных электродов, с которых в общем случае стекает неодинаковый ток.
Методика расчета емкостных токов однофазного замыкания на землю в сетях напряжением 6 кВ
В соответствии с комплексным подходом к проблеме оценки защитного действия сложных ЗС важным этапом исследования является расчет токорас-пределения в ее элементах. Для этой цели необходимо во-первых определить максимально возможный ток однофазного замыкания в сетях с изолированной нейтралью. Во-вторых, с учетом полученного обобщенного геоэлектрического разреза, определить электрические характеристики основных элементов ЗС, которые являются базовыми при составлении схемы замещения.
В [52] указывается, что к основным элементам ЗС северных газопромыслов и карьеров относят фундаменты промышленных зданий и сооружений, технологические скважины и т.д. При этом связь между группами заземлителей осуществляется трубопроводами различного назначения или металлическими эстакадами, предназначенными для прокладки кабелей, «четвертым проводом». Такие сложные ЗС, как правило, располагаются на обширных территориях. Поэтому, наряду с определением сопротивлений растеканию отдельных ее элементов, оценивают собственные электрические характеристики протяженных заземлителей и связей.
Одним из элементов ЗС северных газопромыслов являются магистральные газопроводы и коллекторы, которые прокладываются на железобетонных или деревянных опорах изолированно от них за счет резиновых прокладок.
Следует отметить, что до настоящего времени методика, позволяющая достаточно точно и просто оценить их электрические характеристики, отсутствует. Так, в работе О.И Уварова [53] предложен способ экспериментальной оценки входного сопротивления (zBX) таких трубопроводов, но он справедлив только для вновь строящихся объектов и не реализуется в сложных разветвленных сетях. В то же время автор предлагает рассчитывать продольное сопротивление и поперечную проводимость трубопроводов на основе формул, полученных опытным путем для подземных трубопроводов [54], что соответствует нашему случаю лишь в некотором приближении.
Подробный анализ существующих методов расчета наземных протяженных заземлителей выполнен Г.Г. Асеевым [26] и было показано, что наиболее приемлемым для таких расчетов является использование решений основных уравнений Максвелла для напряженностей электромагнитного поля. Преимущество такого подхода заключается в том, что учитывается влияние земли на распределенную индуктивность, оценивается емкость трубопровода относительно земли, распределение потенциалов на поверхности грунта. - Таким образом, анализ состояния вопроса позволяет определить следующие задачи теоретических исследований, решаемые в данной главе: - построение методики расчета максимально возможных емкостных токов однофазного замыкания на землю в сетях напряжением 6-35 кВ; - определение электрических характеристик надземных протяженных трубопроводов; - расчет электрических характеристик основных элементов сложной ЗС; - построение схемы замещения и расчет токораспределения в ЗС при однофазном замыкании на корпус электрооборудования, или землю.в сетях напряжением 6-35 кВ.
Значение емкостного тока однофазного замыкания на землю 1ос определяется как сумма емкостных токов линий электропередачи всей электрически связанной сети 1ос.л электродвигателей напряжением выше 1 кВ, присоединенных к электрической сети, с учетом распределительных устройств, относящихся к данной сети [55]: 49 где КРу - коэффициент, учитывающий увеличение емкостного тока однофазного замыкания на землю электрической сети за счет емкости оборудования распределительных устройств. Значения КРУ принимают согласно [56]: КРу = 1,05 - 1,1 для воздушных и кабельных линий электрических сетей напряжением 6-10 кВ; КРу = 1,12-1,15 для воздушных электрических сетей напряжением 35 кВ; КРу = 1 — для кабельных электрических сетей напряжением 35 кВ.
Количественная оценка вероятности одновременного появления отказов в электрических сетях и технологических коммуникациях
Повреждения технологических коммуникаций (ТК), предназначенных для транспортировки горючих газов и жидкостей, электрических сетей и электроустановок представляют собой случайные события. Поэтому прогнозирование появления отказа, определение достоверной величины тока, приводящего к взрывоопасной ситуации, выбор различных мер по повышению надежности «узких мест» являются типичной задачей теории статистических решений, основу которой составляет количественная оценка вероятности появления отказов. Электрические сети и ТК следует считать независимыми системами, в которых появление отказов есть однородные события. Тогда можно предположить, что поток отказов в обеих системах является ординарным [63].
Вероятность безотказной работа R(t) через интенсивность потока отказов A,(t) выражаем следующим образом:
Следовательно, для количественной оценки R(t) необходимы сведения об интенсивностях отказов A,(t) каждого элемента электрической сети и ТК. С этой целью функцию X(t) определяют по результатам статистических наблюдений и в этом случае ее называют удельной повреждаемостью элемента где An - число отказов на участке времени (t, t+At); n(t) - среднее число оборудования, работающего в этом интервале.
Количественное значение R(t) позволяет численно охарактеризовать аварийную ситуацию и учесть объективные условия ее возникновения. При этом условием воспламенения или взрыва газовоздушных смесей являются два фактора, совпадающие во времени: наличие горючих газов определенной концентрации и наличие источника зажигания достаточной мощности.
Взрывоопасные смеси могут образовываться при утечке горючих газов в атмосферу. Так, при эксплуатации трубопроводов, предназначенных для транспортирования горючих газов и жидкостей, утечки газа происходят из микротрещин, источниками которых служат повреждения, полученные во время транспортировки труб к месту монтажа, дефекты прокатки и сварки, повреждение уплотнений и т.д. [64].
Источником зажигания может служить искра, возникающая при нарушении целостности токопроводящих путей, в данном случае ТК. Таким образом, анализ состояния вопроса позволяет определить задачи теоретических исследований, решаемые в данной главе: - количественная оценка вероятности одновременного появления отказов в электрических сетях и ТК северных промышленных комплексов; - определение минимальной энергии взрывания газовоздушных смесей при искровом способе зажигания на базе теплофизических характеристик природного газа и параметров окружающей среды; - расчет допустимой величины тока в ТК, не приводящего к пожаро-взрывоопасной ситуации с учетом вероятности возникновения последней в особенностей построения схемы замещения ЗС.
В связи с принятым предположением об ординарности потока отказ лю-бого элемента подстанции и ТК вызывает отказ всей передачи . Такое соединение элементов, по аналогии с теорией надежности систем электроснабжения, назовем последовательным, и вероятность появления отказа в любой элементе передачи и тем самым во всей передаче определяем по формуле [63]: где n - число элементов передачи; Aj, Rj(t) - событие и вероятность безотказной работы і-го элемента в течение времени t, определяемые по формуле (4.1).
Так как отказ одной передачи (электрической сети или / и ТК) не вызывает пожаровзрывоопасную ситуацию, а лишь совпадение отказов приводит к пожароопасной ситуации (определяющим является отказ в электрической сети), то это условие записывается следующим образом [64]: [R1(t) + Q1(t)][R2(t) + Q2(t)]=l, где Ri(t), R2(t) - вероятность безотказной работы каждой передачи; Qi(t), Ch(t) - соответствующие вероятности отказа каждой передачи. После умножения и подстановки Q(t)=I-R(t) получаем: QL(t) = l-R1(t)-R2(t) + R,(t).R2(t), (4.4) где Qi(t) - вероятность совпадения отказов в электрической сети и ТК за определенный промежуток времени.
Таким образом, в основе определения Qs(t) лежит количественная оценка вероятности безотказной работы каждого элемента передачи, вычисляемая по формуле (4.1), которая, в свою очередь, может быть рассчитана при знании X(t). С этой целью необходимо обобщение статистических наблюдений о повреждаемости элементов, входящих в схемы подстанций. В качестве примера расчет проведем для схем, представленных на рис. 4.1-4.3.
