Учебная работа. Проект защиты металлического трубопровода от электромагнитного влияния тяговой сети постоянного тока

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
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.

Учебная работа. Проект защиты металлического трубопровода от электромагнитного влияния тяговой сети постоянного тока