Разработка комплексной защиты электросетевых конструкций от коррозии с использованием активированных материалов

В энергетике России в настоящее время на практике используются различные электросетевые конструкции (ЭК): силовые кабели, железобетонные стойки под оборудование, трубопроводы, стальные искусственные заземлители и т. п.

По правилам устройства электроустановок (ПУЭ), все указанные конструкции должны быть заземлены, что в итоге создает заземляющие системы (ЗС).

В процессе эксплуатации электросетевые конструкции контактируют с различными средами: грунтом, водой, воздухом и, кроме того, подвергаются воздействию блуждающих постоянных и переменных токов, токов плавки гололёда, токов коротких замыканий и токов молнии. Это приводит к отказам в работе как отдельных элекгросетевых конструкций, так и ЗС в целом.

Отказ в работе конструкций от воздействия токов и механической нагрузки возможен, если они превышают расчётные (нормативные) значения. Старение материалов, коррозия, циклы «замораживания-оттаивания» для железобетона, снижают предельно-допустимые значения токовых и механических нагрузок, поэтому коррозия и другие деструктивные воздействия являются основными факторами, определяющими срок службы электросетевых конструкций [51−72].

В наиболее агрессивных грунтово-климатических условиях срок службы электросетевых конструкций мал. Так железобетонные опоры и фундаменты воздушных линий электропередачи выходят из строя (особенно при низком качестве их изготовления) в среднем за 10 лет, что в 3−5 раз ниже их амортизационного срока службы [13]. Это приводит к массовым падениям железобетонных опор, особенно BJI 6−10 кВ. Аварийность BJI 6−10 кВ в расчёте на 100 км линий составляет 6−7 аварий в год для средних широт и 2030 аварий в год для районов со сложенными климатическими и грунтовыми условиями (районы Сибири и Севера) (аварийность В Л 6−10 кВ в РФ от 2-х до 7-ми раз выше, чем в промышленно развитых странах) [54- 66].

В заземляющих системах подстанций наибольшим разрушениям подвергаются стальные искусственные заземлители (рис. 1.1) (в отличие от медных искусственных заземлителей в странах Запада) [55- 59- 63- 70- 71].

Наибольшую опасность представляет элекгрокоррозия электросетевых конструкций при воздействии постоянных токов. Например, вследствие полного разрушения от электрокоррозии горизонтальных шин через 4−6 лет эксплуатации (с общей длиной разрушения до 40−50 м на подстанцию) на ряде тяговых подстанцией Западно-Сибирской ж.д. Наблюдались случаи отказа в срабатывании защит, что потребовало полной замены этих элементов ЗС [71].

Учитывая тот факт, что в современной России мал объём строительства энергетических объектов, а срок службы существующих линий электропередачи и подстанций увеличивается, актуальность работ по повышению надёжности их работы существенно возрастает [72]. Подтверждением этому является массовое падение опор в июле 2004 г. в Иркутскэнерго (342 опоры 110- 220- 500 кВ) — падение металлических и железобетонных опор в Кузбассэнерго. В Новосибирскэнерго (BJI-110 кВ, N3−43 «Сибирская-Кыпгговка», шифр стоек СН-3 и на BJI-110 кВ, N3−26 «Татарск-Купино», шифр стоек СК-2−1) на 18 железобетонных стойках опор выявлены отверстия (до 10×5 см и 16×8 см), трещины (длиной от 0,22 м до 810 м и шириной от 0,3 мм до 4−5 мм) и сколы (по данным на август 2004 г).

Для управления сроком службы элекгросетевых конструкций необходимо знать механизм их разрушения, в первую очередь от коррозии [51−55−64−66−71].

В тоже время, существующие методы защиты, например, заземляющих систем с помощью электродренажей и катодных станций, обеспечивают защиту только металлических частей электросетевых конструкций (сталь искусственных заземлителей, арматуру в бетоне), но бетон разрушается по другому механизму (от «физической» коррозии) и, следовательно, не будет защищен [69].

В связи с этим, необходима разработка комплексной защиты электросетевых конструкций и заземляющих систем из них от коррозии.

Особо следует подчеркнуть такой факт, что в 1998 г. в ПУЭ введены изменения, которые ужесточили условия расчета промежуточных опор в аварийном режиме. Расчёт должен выполняться при более жёстких климатических условиях: провода покрыты гололедом, скоростной напор ветра 25% от максимального. Вследствие этого повышаются требования к механической прочности конструкций. В этом плане необходимы исследования, в частности, по повышению механических характеристик железобетонных конструкций.

Таким образом, проблема повышения надёжности работы электросетевых конструкций является актуальной для всех классов напряжений как для эксплуатируемых, так и для проектируемых энергетических объектов всех регионов России.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка комплексной защиты электросетевых конструкций от коррозии с использованием новых технологий и активированных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

• исследовать воздействие постоянных токов на заземляющие системы подстанции:

• от плавки гололёда на постоянном токе по схеме «провод-земля»;

• от блуждающих постоянных токов электрофицированного рельсового транспорта и оптимизировать применение разработанных электрических методов их защиты от электрокоррозии;

• разработать железобетонные электросетевые конструкции с улучшенными механическими и коррозионными характеристиками и исследовать их влияние на коррозионные процессы в заземляющей системе;

• теоретически и экспериментально исследовать процессы грунтовой коррозии в многоэлектродной электрохимической системе из различных элеюросетевых конструкции (железобетонных стоек УСОкабелей в алюминиевой оболочке, стальных искусственных заземлителей). Оценить срок их службы и разработать на этой основе рекомендации по комплексной защите конструкций от коррозии;

• выполнить технико-экономическое обоснование применения различных видов защит элеюросетевых конструкций от коррозии и разработать на этой основе методику выбора оптимального способа их защиты.

Методы исследований. Поставленные в работе цели достигаются на основе теоретических исследований, экспериментальных исследований на реальных подстанциях, воздушных и кабельных линиях электропередачи с различными грунтово-климатическими условиями.

Методической основой теоретических исследований служит теория многоэлектродных электрохимических систем, физическое и математическое моделирование коррозионных процессов, аппарат регрессионного анализа, вычислительной математики и математической статистики.

Научная новизна, основные положения, выносимые на защиту. заключаются следующем:

• исследован механизм электрокоррозии заземляющих систем подстанций при воздействии постоянных токов: от плавки гололёда на постоянном токе и от блуждающих постоянных токов электрофицированных железных дорог, позволяющий выявить наиболее опасные в коррозионном отношении части элеюросетевых конструкций, обоснованно разрабатывать и оптимизировать методы их защиты от коррозии;

• исследованы составы бетона с использованием активированных цемента и песка (с увеличенной в 1,7 раза удельной поверхностью по сравнению с типовыми материалами), позволяющие существенно в 3 раза на изгиб и в 2,3 раза на сжатие) повысить механические характеристики бетона (при меньших в 3−4 раза энергозатратах на получение исходных сырьевых материалов) и на этой основе разрабатывать надёжные электросетевые конструкции;

• теоретически и экспериментально исследованы процессы грунтовой коррозии в многоэлектродной электрохимической системе из различных электросетевых конструкций (железобетонных стоек из активированных материалов, кабелей в алюминиевой оболочке, стальных искусственных заземлителей), рассчитаны сроки их службы и разработаны на этой основе рекомендации по комплексной защите от коррозии электросетевых конструкций;

• определены технико-экономические показатели применения различных видов защит конструкций от коррозии и предложена методика выбора оптимального способа защиты электросетевых конструкций от коррозии и оптимального времени включения (использования) защит.

Достоверность результатов подтверждена практической реализацией разработанных методов комплексной защиты электросетевых конструкций от коррозии и экспериментальной проверкой железобетонных электросетевых конструкций с повышенными механическими характеристиками с использованием активированных материалов.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработанные методы активной и пассивной защит от коррозии электросетевых конструкций от коррозии могут быть использованы в проектной и эксплуатационной практике.

Рекомендации по защите от грунтовой коррозии силовых кабелей в алюминиевой оболочке и шланговом изолирующем покрытии внедрены в ОАО «Томский речной порт» (ОАО «Томская судоходная компания»).

Рекомендации по изготовлению железобетонных конструкций с использованием активированных цемента и песка использованы при разработке железобетонных свай для деревянных опор ВЛ 110−35 кВ для ОАО АК «Якутскэнерго» (Центральные электрические сети).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях:

• 7-я Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: экология, надёжность, безопасность», г. Томск, 2001 г.;

• 9-я Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: экология, надёжность, безопасность», г. Томск, 2003 г.;

• 2-я Международная научно-практическая Интернет-конференция энерго и ресурсосбережений, 21 века, г. Орёл, 2004 г.;

• Международная научно-техническая конференция «Электроэнергия и будущее цивилизаций» г. Томск, 2004 г.;

• 2-я Международная научно-техническая конференция «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», г. Тобольск, 2004 г.

• 1-я Международная научно-практическая конференция «Линии электропередачи-2004: опыт эксплуатации и научно-технический прогресс», г. Новосибирск, 2004 г.;

• на научных совещаниях Сибирского НИИ энергетики, в Сибирском проектно-изыскательском институте энергетических систем и электрических сетей, в Новосибирской государственной академии водного транспорта с 2000 по 2004 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и 6 приложений. Общий объём 157 е., в том числе 26 рис. 37 табл., 72 источника.

Вывод.

При использовании катодной защиты для ААШв кабелей трудно добиться одинаковой плотности тока по всей длине кабеля при различном состоянии изоляционного покрытия. На участках с незначительным повреждением изоляции плотность защитного тока значительно выше допустимой, что приводит к катодному растворению металла оболочки.

Заключение

.

Основные научные н практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Исследован механизм электрокоррозии заземляющих систем при плавке гололёда на постоянном токе и при воздействии блуждающих постоянных токов рельсового транспорта.

Расчет и экспериментальные исследования электрокоррозии заземлителей подстанции показали, что при плавке гололёда на постоянном токе по схеме «провод-земля» степень коррозии электросетевых конструкций зависит от места подключения (+) полярности установки плавки гололёда (УПГ) — направления BJI, на которой плавится гололёдвеличины постоянного тока и времени его протекания [например, на ЮжноСахалинской ГРЭС (Сахалинэнерго) доля электрокоррозии искусственных заземлителей составляет 26,4%- средняя коррозия — 17%].

2. Разработаны рекомендации по снижению электрокоррозии заземлителей при плавке гололёда на постоянном токе.

Предложено произвести переполюсовку УПГ и заземлять (-) выход установок и тем самым защитить за счёт катодной поляризации подземные конструкции. (+) выход УПГ подаётся на разные BJI и ЗС подстанций, что вызывает их меньшую электрокоррозию, чем для заземлителей подстанций в случае постоянного заземления на них (+) полюса УПГ.

В случае интенсивной электрокоррозии заземлителей, например, для подстанции 220 кВ «Макаровская» (Сахалинэнерго) предложено произвести установку катодной защиты.

3. Разработана методика инженерных расчётов катодной защиты подземного оборудования подстанций. Получены регрессионные уравнения для расчёта защитной плотности тока и требуемой мощности катодной защиты. Разработаны рекомендации по монтажу катодной защиты и инструкция по её эксплуатации [например, для защиты ЗС подстанции 220 кВ «Макаровская» (Сахалинэнерго) рекомендованы две катодные станции КСС-1200, Общей мощностью 2,4 кВт].

4. Предложена методика оптимального времени включения (использования) защит. Расчёты дополнительного экономического эффекта для реальных объектов [например, подстанция 220 кВ «Чарджоу» и Красноводская ТЭЦ-1 (Туркмения) — опоры ВЛ-110 кВ (ЛЭП-3−3- 3−4- Новосибирскэнерго)] показали, что при оптимальном времени включения катодной (протекторной) защиты экономический эффект возрастает в 3−4 раза, а для менее агрессивных условий — на один-два порядка.

5. Исследовано воздействие блуждающих постоянных токов на заземляющие системы подстанций (на примере подстанции 1150 кВ «Челябинская»). Рассчитаные коррозионные токи в ЗС показали, что, например, для подстанции 1150 кВ «Челябинская» наибольшей опасности электрокоррозии подвергается оборудование на ОРУ-500 кВ и плотность стекающего тока с арматуры железобетонных стоек УСО превышает допустимую величину 0,6 мА/дм .

Доказана эффективность электродренажной защиты, позволяющая перевести всё подземное оборудование в катодное состояние.

6. Обоснованы требования к разрабатываемым железобетонным конструкциям, которые должны выдерживать повышенные механические нагрузки, воздействие «физической» коррозии и выполнять функции «естественного» заземлителя. С этой целью исследованы составы бетона с использованием активированных цемента и песка [с размером частиц 50−100 мкмс увеличенной в 1,7 раза (по сравнению с типовыми материалами) удельной поверхностью и увеличенной за счёт этого реакционной способностью], позволяющие существенно (в 3 раза на изгиб и в 2,3 раза на сжатие) повысить механические характеристики бетона (при меньших в 3−4 раза энергозатратах на получение исходных сырьевых материалов) и на этой основе разрабатывать надёжные электросетевые конструкции.

Разработан перспективный состав бетона при минимальных затратах, в котором использована только 1/5 часть активированного песка и обычный цемент (увеличение прочности при сжатии в 2,13 раза, при изгибе — в 1,54 раза).

Оценена стойкость предлагаемых составов к воздействию «физической» коррозии с помощью показателя Psfr. Показано, что все предлагаемые составы являются стойкими к воздействию «физической» коррозии (Psfk > 0,9- у обычного бетона Р^ = 0,6-i- 0,75).

Использование железобетонных электросетевых конструкций из активированных материалов снижает вдвое (по сравнению с типовыми железобетонными конструкциями) коррозионные (анодные) токи на стальных искусственных заземлителях и, тем самым, уменьшает их коррозию.

7. Исследованы (теоретически и экспериментально) процессы грунтовой коррозии в многоэлектродной электрохимической системе из различных электросетевых конструкций (железобетонных стоек из активированных материаловкабелей в алюминиевой оболочкестальных искусственных заземлителей) — разработана для кабелей математическая модель для расчета срока их службы и разработаны рекомендации по комплексной их защите от коррозии, позволяющие удовлетворять взаимоисключающие требования (по условию защиты от коррозии, например, оболочка кабеля не должна подключаться к заземлителю, а по условиям защиты кабеля и подключаемого к нему оборудования от токов к.з. оболочка должна быть заземлена. В предлагаемом способе защиты кабелей от коррозии, включающем в себя присоединение к оболочке кабеля протектора, оболочку кабеля по концам кабельной лини подключают к заземляющей системе через цепь из параллельно соединенных разрядника и колебательного контура, состоящего из последовательно соединенных индуктивности и ёмкости, настроенного на промышленную частоту 50 Гц.

8. Предложена методика выбора оптимального способа защиты электросетевых конструкций от коррозии, основанная на расчёте технико-экономических показателей применения различных видов защит.

Для реальных объектов [опоры 110 кВ «ЛЭП 3−3- 3−4,» Новосибирскэнергоподстанция 220 кВ «Чарджоу» и Красноводская ТЭЦ-1 (Туркмения)], установлено, что чем сильнее коррозия, тем экономический эффект от применения защиты от коррозии выше, в менее агрессивных грунтах — на порядок ниже.