Загрузка...
Проект защиты металлического трубопровода от электромагнитного влияния тяговой сети постоянного тока
Министерство транспорта Украины
Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В.А. Лазаряна
Кафедра «Электроснабжение железных дорог»
Расчётно-пояснительная записка к курсовой работе
по дисциплине
«Электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте»
на тему:
Проект защиты металлического трубопровода от электромагнитного влияния
тяговой сети постоянного тока
Аннотация
Данная курсовая работа предусматривает выполнение расчётов по следующим вопросам:
распределение токов и потенциалов в неоднородных рельсовых сетях;
распределение блуждающего тока в земле;
распределение тока и потенциала в однородных рельсовых сетях и земле;
распределение токов и потенциалов в металлическом трубопроводе;
электродренажная защита;
экономическое обоснование выбора варианта противокоррозионной защиты.
Введение
Вокруг проводов, передающих электрическую энергию переменного тока, возникает переменное электромагнитное поле, которое создает во всех смежных сооружениях, находящихся в этом поле (другие линии электропередачи, воздушные и кабельные линии связи, металлические трубопроводы, заборы и др.), электродвижущие силы (ЭДС) и, как следствие, токи. Эти ЭДС и токи могут производить опасные и мешающие влияния, то есть создавать условия работы электрического и другого оборудования, несовместимые с техническими требованиями и правилами техники безопасности. Обеспечить работу электрооборудования в пределах допустимых норм электромагнитного влияния обеспечить электромагнитную совместимость.
В соответствии с определением международной электротехнической комиссии (МЭК) под электромагнитной совместимостью понимается способность электротехнического оборудования работать удовлетворительно в электромагнитной среде, не создавая недопустимого влияния на другое электротехническое оборудование и окружающую среду.
Устройства, расположенные в зоне электрических железных дорог и линий электропередачи, подвергаются электромагнитному и гальваническому влиянию. Принято электромагнитные влияния разделять на электрические и магнитные.
Электрическое влияние обусловлено наличием во влияющей линии переменного электрического напряжения, создающего электрическое поле.
Магнитное влияние обусловлено протеканием во влияющей линии переменного тока, создающего магнитное поле.
Гальваническое влияние обусловлено протеканием в земле рабочих токов, в особенности тяговых. Этому влиянию подвержены линии, использующие землю в качестве одного из рабочих проводов, а также заземлённые металлические сооружения и коммуникации. Следствием гальванического влияния электрического рельсового транспорта (блуждающие токи) на подземные сооружения является их электрическая коррозия.
В связи с трудным экономическим положением в Украине, задача защиты подземных сооружений от электрокоррозии становится всё актуальнее.
Целью данной работы является практическое применение теоретических знаний к решению инженерно-технических задач, по проектированию противокоррозионной защиты сооружения.
1. Исходные данные
Параметрыrp 10-3idTrrиз*lзтРазмерностьОм/кмА/кммОм мОм м2км115,9150,25404000,6
ПараметрыrnnhTrTРазмерностьОм кмштм(Ом мм2)/м50,5031,50,235
ПараметрыLlcаndРазмерностькмкмммм81827,57
. Распределение токов и потенциалов в неоднородных рельсовых сетях
Неоднородность рельсовых сетей в реальных условиях в основном обусловлена наличием железнодорожных станций с развитыми станционными путями. В этой связи для определения токов и потенциалов на отдельных участках неоднородной рельсовой сети (с учетом станций) (рис. 2.1)
необходимо составить и решить систему уравнений для этих участков:
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
где: Ipх1, Ipх2, Ipх3 — ток в неоднородной рельсовой сети соответственно на 1, 2, и 3-й зонах, А;
φpх1, φpх2, φpх3 — потенциал неоднородной рельсовой сети соответственно на 1, 2, 3-й зонах В;
Рис. 2.1 Участок неоднородной рельсовой сети
k — коэффициент распространения однородной рельсовой сети, 1/км;
(2.7)
i — удельная нагрузка, А/км;
rp — удельное продольное сопротивление однородной рельсовой сети, Ом/км;
rn — удельное переходное сопротивление от рельсов к земле для однородной рельсовой сети, Ом×км;
n — количество параллельно соединенных станционных путей, n=4;
RPB — волновое сопротивление однородной рельсовой сети, Ом;
Подставив числовые данные, получим:
rn=rn2=0,3Ом×км,rn1=rn3=rn/n=0,3/4=0,075 Ом×км;
А1, В1, А2, В2, А3, В3 — постоянные коэффициенты;
x — текущая координата, км (0£ x £ L/2);
L — длина межподстанционной зоны, км.
Для определения постоянных Аi, Вi необходимо задаться граничными условиями:
Г1:при:x=0Ipx1 = -i∙L/2
Г2:при:x=ℓcIpx1 = Ipx2
Г3:при:x=L/2-lcIpx2 = Ipx3
Г4:при:x=L/2Ipx3 = 0
Г5:при:x=ℓcφpх1 = φpх2
Г6:при:x=L/2-lcφpx2 = φpх3
где: ℓс — половина длины станции, км
Подставив граничные условия в уравнения (2.1) — (2.6), получим систему уравнений, которую запишем в матричном виде в табл.2.1
Таблица 2.1
А1В1А2В2А3В3С1-10000С1nе2кℓ-n-е2кℓ100000е2к(L/2-ℓ)-1-nе2к(L/2-ℓ)n00000екL-10е2кℓ1-е2кℓ-100C200е2к(L/2-ℓ)1-е2к(L/2-ℓ)-1C3
Коэффициенты С1 — С3 получим при использовании граничных условий Г1, Г3, Г5, домножив на eкℓ с соответствующей степенью каждое из слагаемых и перенеся в правую часть свободные члены:
C2= 7,060535
C3= -21,99952
Расчетные данные занесем в табл.2.2:
Таблица 2.2
А1В1А2В2А3В3С1-100002,983316,30217-4-1,5755410000015,29613-1-61,1845240000024,0997-101,575541-1,57554-1007,0605350015,296131-15,29613-1-21,99952
Для определения коэффициентов Аi, Вi, решим систему уравнений матричным способом, используя MathCAD
где,
A — матрица коэффициентов при неизвестных, взятая из табл.2.2;
P — матрица свободных членов (из табл.2.2);
R — матрица неизвестных.
Запишем уравнения (2.1) — (2.6) с учетом вычисленных коэффициентов:
φpх1 = — 0.852∙e0.22730∙x — 3.835∙e-0.22730∙x + 1.875;(2.7)
Ipx1 = — 58.6854(- 0.852∙e0.22730∙x + 3.835∙e-0.22730∙x);(2.8)
φpx2 = — 0.72∙e0.22730∙x — 11.105∙e-0.22730∙x + 7.5;(2.9)
Ipx2 = — 14.6649(- 0.72∙e0.22730∙x +11.105∙e-0.22730∙x);(2.10)
φpх3 = -2.822∙10-3∙e0.22730∙x — 0,068∙e-0.22730∙x + 1.875;(2.11)
Ipx3 = -58.6854(-2.822∙10-3∙e0.22730∙x + 0,068∙e-0.22730∙x);(2.12)
Произведем проверку граничных условий:
Г1: х = 0 км;
Ipx1= — 58.6854 (- 0.852∙e0.22730×0 + 3.835∙e-0.22730×0) = -174.998 А;
Г2:х=1 км;
Ipx1 = — 58.6854 (- 0.852∙e0.22730×1 + 3, 835∙e-0.22730×1) = -116.496 А;
Ipx2 = — 14.6649 (- 0.72∙e0.22730×1 + 11.105∙e-0.22730×1) = -116.497 А;
Г3:х=6
Ipx2 = — 14.6649 (- 0.72∙e0.22730×6 + 11.105∙e-0.22730×6) = -0.371 А;
Ipx3 = -58.6854 (-2.822∙10-3e0.22730×6 +0.068∙e-0.22730×6) = -0.372А;
Г4:х=7
Ipx3 = -58.6854 (-2.822∙10-3e0.22730×7 + 0.068∙e-0.22730×7) = 0
Г5:х=1 км;
φpх1 = — 0.852∙e0.22730∙1 — 3.835∙e-0.22730∙1 + 1.875= -2,25 В;
φpx2 = — 0.72∙e0.22730∙1 — 11.105∙e-0.22730∙1 + 7.5= -2,25 В;
Г6:х=6 км;
φpx2 = — 0.72∙e0.22730∙6 — 11.105∙e-0.22730∙6 + 7.5= 1,847 В;
φpх3 = -2.822∙10-3∙e0.22730∙6 — 0,068∙e-0.22730∙6 + 1.875= 1,847 В;
Построим зависимости φp=¦(x), Ip=¦(x) на листе 1 (рис.1,2), данные для которых занесем в табл.2.3.
Таблица 2.3
1 зона2 зона3 зонах км01234567φp В-2,81264-2,25027-0,681950,461811,240361,69411,846581,8473Ip А-174.99752-116.49628-86.73756-61.47931-39.41119-19.3881-0.372520
. Распределение блуждающего тока в земле (с учетом станций)
Для оценки коррозионного состояния подземных металлических сооружений необходимо определить картину распределения блуждающего тока.
Для представленной на рис.2.1 расчетной схемы:
IБХ = -(IКХ + IРХ)(3.1)
где IPX — ток в неоднородной рельсовой сети, А (см. табл.2.3);
х — текущая координата (0 £ х £ L/2);
(3.2)
ток в контактной сети (0 £ х £ L/2).
Результаты расчета заносим в табл.3.1:
Таблица 3.1
х, км01234567Iк, А1751501251007550250IБ, А0-33,50372-38,26244-38,52069-35,58881-30,6119-24,628960
По данным табл.3.1 строим зависимости IК=¦(x), IБ=¦(x) на листе 1 (рис.3)
Приведем пример расчета для х=1 км:
IБ = -(150-116,49628) = -33,50372 А
наличие станционного развития приводит к локальному увеличению утечки тяговых токов с боковых путей станции, имеющих пониженное переходное сопротивление от рельсов к земле, что приводит к резкому увеличению блуждающего тока в зоне железнодорожных станций.
Вентильное секционирование (рис.3.1) осуществляется подключением боковых путей станции к главным через вентильные блоки, которые обеспечивают свободное протекание тягового тока с боковых путей станции к главным и препятствуют обратному протеканию тока. Вентильный блок состоит из 10 параллельно соединенных вентилей ВЛ-2-200 6-8-го классов. Вентильное секционирование, кроме уменьшения блуждающих токов, способствует противокоррозионной защите рельсов и рельсовых скреплений.
Осуществив вентильное секционирование боковых путей станции, превращаем рельсовую сеть в однородную, расчет которой значительно упрощается.
Рис. 3.1 Вентильное секционирование рельсовых путей станции
4. Распределение токов и потенциалов в однородных рельсовых сетях
Коррозионное состояние подземного металлического сооружения определяется средним значением параметров (плотность поляризующего тока, потенциал подземного металлического сооружения и т. д.). В этой связи необходимо знать средние значения токов и потенциалов рельсовых сетей, которые удобнее определять по методу равномерно распределенной нагрузки.
Потенциал однородной рельсовой сети (без учета станций) (рис.4.1) определяется по формуле:
(4.1)
ток в однородной рельсовой сети определяется по формуле:
(4.2)
Блуждающий ток определяется по формуле:
(4.3)
где IKX — ток в контактной сети, А (см. табл.3.1);
Результаты расчета заносим в таблицу 4.1
iL i iL
Рис.4.1 Участок однородной рельсовой сети
Таблица 4.1
х, км0123456789UP*, В-12.5-8.2-4.6-1.60.72.64.0425.0465.645.83IP*, А-360-302.6-251.9-206.5-165.7-128.4-94-61.5-30.40IБ*, А0-17.32-28.09-33.41-34.26-31.52-25.99-18.44-9.5490
Приведем пример расчета для х=1 км:
, А
В
IБХ* = -(320 — 302.6) = -17,32 А
По данным таблицы строятся зависимости UP* = f(x), IP* = f(x),IБ* = f(x) на листе 1 (рис. 1,2,
. Распределение токов и потенциалов в металлическом трубопроводе
Существует несколько методов расчета токов и потенциалов подземных сооружений, находящихся в поле блуждающих токов. Воспользуемся одним из простейших. В плоскости, нормальной к оси пути, линии тока в балласте являются радиальными прямыми цилиндрического поля (рис. 5.1) с постоянной угловой плотностью.
щебень
a n
транзитный слой d З
Рис. 5.1 Плоскость нормального сечения оси пути
Отсюда следует, что в трубопровод, проложенный параллельно рельсовой сети, независимо от степени анизотропности грунта проникает та часть потока блуждающих токов, которая определяется «углом атаки»:
,(5.1)
где θ»p — угол, образованный потоком линий блуждающих токов;
dT — диаметр трубопровода, м;
R — расстояние от оси пути до оси трубопровода, м,
,(5.2)
где hT — глубина укладки трубопров
ап — ширина сближения трубопровода с осью пути, м;
kат — коэффициент пропорциональности.
Используя исходные данные, получим:
м;
Ток в металлическом трубопроводе определяется по формуле:
,(5.3
где gиз/ — относительная удельная проводимость изоляции, gиз/=1;
Потенциал трубопровода относительно близлежащей земли определяется по формуле:
,(5.4)
где
— (5.5)
удельное сопротивление растеканию трубопровода, Ом×км, которое определяется методом итераций;
r — удельное сопротивление грунта, Ом×км;
электродренажный защита коррозия магистральный
— (5.6)
удельное сопротивление изоляционного покрытия трубопровода, включающее и сопротивление поляризации, Ом×км;
rиз* — сопротивление 1 м2 изоляционного покрытия, Ом×км2;
dT — диаметр трубопровода, м;
hT — глубина укладки трубопровода, м;
— (5.7)
удельное продольное сопротивление трубопровода, Ом/км;
rТ — удельное электрическое сопротивление материала трубопровода, Ом×мм2/м;
d — толщина стенки трубопровода, мм.
Используя исходные данные, по формулам (5.6), (5.7), (5.5) получим:
Ом×км;
Ом/км;
,
т. е. rпт=0,868 Ом×км.
Результаты расчетов токов и потенциалов сводим в таблицу 5.1
Таблица 5.1
х, км0123456789ITX*, А0-0.35-0.57-0.68-0.7-0.64-0.53-0.38-0.190UTX*, В0.370.240.1380.05-0.02-0.07-0.11-0.14-0.167-0.17
Приведем пример расчета для х=1км:
, А;
, В
По данным табл. 5.1 строим зависимости =¦(х), =¦(х) на листе 2 (рис.4,5)
6. Электродренажная защита
Наиболее простой и экономичной противокоррозионной защитой подземных металлических сооружений от блуждающих токов является электродренажная защита. В настоящее время наибольшее применение получили поляризованные дренажи, обладающие односторонней проводимостью рис. (6.1)
Iд рельс
трубопровод
Рис. 6.1 функциональная схема электродренажной защиты
Сущность электродренажной защиты заключается в устранении анодных зон на подземном металлическом трубопроводе. Это достигается отводом (дренажем) блуждающих токов с анодных участков трубопровода в рельсовую сеть, что устраняет утечку тока с поверхности трубопровода в землю.
Расчетная схема имеет вид:
ТТ
Рис. 6.2
Потенциал трубопровода после включения защиты:
,(6.1)
Iд; — выбранный ток, протекающий по цепи электрического дренажа;
(6.2)
— потенциал трубопровода до включения электродренажной защиты в точке 0, В;
— потенциал однородной рельсовой сети до включения электродренажной защиты в том же месте, В;
kT — коэффициент распространения трубопровода, 1/км:
(6.3)
RT — входное сопротивление трубопровода, Ом:
(6.4)
RP — входное сопротивление рельсовой сети, Ом:
(6.5)
Подставив числовые данные, по формулам (6.3), (6.4), (6.5) получим:
1/км;
Ом;
Ом
Тогда ток дренажа равен:
Id1=33,047
А;
Так как Idmax > Id, то принимаем Id , Rdmin
По формуле (6.1) определим потенциал в нулевой точке:
В > -1,95 В=UTmin
Используя приведенные выше данные, заполним таблицу:
Таблица 6.1
х, км0123456789, В0.370.240.130.05-0.02-0.07-0.11-0.14-0.16-0.17, В-1.94-1.78-1.65-1.54-1.46-1.39-1.34-1.3-1.28-1.27
Приведем пример для х=9 км:
В
По данным таблицы строим зависимость =f(х) на листе 2 (рис.5).
7. Катодная защита
Катодную защиту применяют в тех случаях, когда электрический дренаж осуществить невозможно. Эта защита осуществляется с помощью катодных станций, отрицательный полюс которых подключают к трубопроводу (рис. 7.1), а положительный — к анодному заземлению. ток катодной станции на оголенных участках трубопровода в местах повреждения изоляции втекает в трубопровод и создает эффект катодной поляризации.
К устройству антенного отбора мощности
К
трубопровод анодное заземление
Рис. 7.1
В качестве катодных станций обычно используются сетевые катодные станции (КСС), технические характеристики которых приведены в табл 7 [2].
Расчетная схема имеет следующий вид:
L
Т
Рис. 7.2
Потенциал трубопровода после включения катодной станции определяется по формуле:
,(7.1)
где ℓзт — расстояние от анодного заземлителя до трубопровода, км;
Iк — сила тока катодной станции.
Ток катодной станции выбирается из условия (-0,32³ ³-1,95 В). По нему подбирается необходимая КСС [2].
Для определения IК зададимся следующими граничными условиями:
Г: х=0, ==-0,32 В;
Тогда:
(7.2)
Подставив числовые данные, получим:
А
Определим потенциал трубопровода после включения катодной станции в точке 0 и L/2:
В;
В;
Поскольку UTX < UTmin , то делаем вывод, что одной КС не достаточно и поэтому нужно установить две катодные станции в точках (0,L).
Расчетная схема имеет следующий вид: (Рис. 7.3)
(7.3)
(7.4)
L
Рис 7.3
Подставив числовые данные, получим:
Определим потенциал трубопровода после включения катодной станции в точке L/2:
Результаты расчета по формуле (7.3) сводим в таблицу 7.1:
Таблица 7.1
х, км0123456789, В0.370.240.1380.05-0.02-0.07-0.11-0.14-0.16-0.17, В-0.32-0.29-0.31-0.34-0.37-0.39-0.41-0.42-0.43-0.44
ГУ Х = 1 Utx = -0.32
= 7,8 Utx = -0.32
По данным этой таблицы строим зависимость =f(х) на листе 2 (рис.5).
. Выбор варианта противокоррозионной защиты
Выбор варианта противокоррозионной защиты осуществляется на основании сравнения приведенных затрат на каждое из устройств.
,(8.1)
— капитальные затраты на устройство электродренажной защиты;
— количество электрических дренажей, =2;
— стоимость электрического дренажа (ПГД-60) с его установкой, =263 грн.;
— стоимость дренажного кабеля с укладкой в траншее, =1,28 (по данным [2] для сечения 1х70 мм2 );
— ширина сближения трубопровода с осью пути, =6,5 м.;
Подставив числовые данные, получим:
грн.
Для катодной защиты:
,(8.2)
— капитальные затраты на устройство катодной защиты;
— количество катодных станций, =2;
— стоимость КСС с ее установкой. выбираем КСС-150, тогда =346 грн.;
— стоимость анодного заземления с его устройством, =749 грн.
Подставив числовые данные, получим:
грн.
Определим амортизационные отчисления по формуле:
А=К(Кр+Ккр)(8.3)
Кр — доля ежегодных отчислений на реновацию, Кр=0,1;
Ккр — доля ежегодных отчислений на капитальный ремонт устройств противокоррозионной защиты, Ккр=0,02;
Подставив числовые данные, получим:
-для электродренажной защиты:
Ад=542,64(0,1+0,02)=65.12грн./год;
Ак=3598(0,1+0,02)=431.76 грн./год;
затраты на электроэнергию для питания катодной станции:
Э=пкРкСэТ,(8.4)
Рк — мощность, потребляемая катодной станцией, кВт;
,(8.5)
— номинальная мощность КСС-150 на входе, =0,265 кВт;
кВт;
Т — количество часов работы КСС в году, Т=8700 ч.;
Сэ — стоимость 1 кВт×ч электроэнергии, Сэ=0,2 грн
Тогда:
Э=2×0,165×0,2×8700=574,2 грн./год.
Эксплуатационные расходы, грн/год:
С=2А+Э(8.6)
Сд=2×65.12=130,24 грн./год
Ск=2×431.76+574.2=1437,7 грн./год.
Приведенные затраты на устройство противокоррозионной защиты:
З=С+КЕн,(8.7)
Ен — единый нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, Ен=0,1 1/год.
З=130.24+542,64×0,1=184.5 грн./год;
З=1437,7+3598×0,1=1797.5 грн./год
Результаты расчета сводим в таблицу:
Таблица 8.1
ПоказателиЭлектродренажная защитаКатодная защитаК грн.542,643598А грн./год65.12431.76Э грн./год-574.2С грн./год130.241437.7З, грн./год184.51797.5
На основании технико-экономического сравнения вариантов наиболее эффективной является электродренажная защита.
Заключение
Металлический трубопровод находится под влиянием магистральной электрифицированной железной дороги постоянного тока. В результате металлический трубопровод подвергается коррозионному разрушению блуждающими токами. поэтому для защиты трубопровода от опасного электромагнитного влияния тяговой сети постоянного тока необходимо на основании технико-экономического расчёта использовать электродренажную защиту.
Список литературы
1.Влияние электрических железных дорог на смежные устройства (задание на курсовой проект с методическими указаниями), В.А. Дьяков — Днепропетровск, 1981.
2.Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «влияние электрических железных дорог на смежные устройства» (часть 1), В.А. Дьяков Днепропетровск, 1984.