Разработка плана отсеивающего эксперимента по исследованию влияния различных факторов на процесс коррозии заземляющих устройств
Автор: Сидоров Александр Иванович, Абдуллоев Рамазон Толибжонович
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Электроэнергетика
Статья в выпуске: 2 т.16, 2016 года.
Бесплатный доступ
Состояние элементов заземляющих устройств во многом определяется процессом коррозии. Анализ существующих методов контроля состояния элементов заземляющих устройств показал их основные недостатки, связанные с необходимостью периодического вскрытия грунта над заземлителем для ви-зуальной оценки его коррозионного состояния. В статье приводятся результаты лабораторных исследований влияния ряда факторов на процесс коррозии. В качестве исследуемых факторов были приняты влажность грунта, его водородный показатель рН, химико-минеральный состав и наличие блуждающих токов. На основании теории планирования эксперимента было определено минимально необходимое количество опытов и составлена матрица отсеивающего эксперимента, по которой выделены факторы, существенно влияющие на процесс коррозии заземляющих устройств. Результаты исследования показали, что процесс коррозии заземляющих устройств определяется, в основном, влажностью грунта и наличием блуждающих токов.
Заземляющее устройство, коррозия, влажность грунта, наличие блуждающих токов, отсеивающий эксперимент, управляемые факторы
Короткий адрес: https://sciup.org/147158352
IDR: 147158352 | DOI: 10.14529/power160207
Текст научной статьи Разработка плана отсеивающего эксперимента по исследованию влияния различных факторов на процесс коррозии заземляющих устройств
Коррозия является одним из основных факторов, существенно влияющих на техническое состояние заземлителей. В результате коррозии происходит снижение надежности и рост сопротивления растеканию тока заземляющих устройств (ЗУ).
Проверка коррозионного состояния элементов заземлителей согласно нормативно-технической документации проводится путём измерения основных параметров ЗУ и проведением визуальных осмотров [1–4]. Определение состояния элементов ЗУ по существующим методикам требует дополнительных затрат и времени для вскрытия грунта и применения различных приборов (микроомметр, омметр, микрометр или штангенциркуль для измерения толщины коррозии вокруг заземляющих электродов) [5, 6].
В лабораторных условиях было проведено исследование влияния различных факторов (влажности грунта, его водородного показателя, концентрации ионов сульфата и хлорида и наличия блуждающих токов) на процесс коррозии элементов ЗУ на разработанной нами экспериментальной установке [7–11].
На рис. 1 представлены зависимости потери массы металла, использованного для изготовления элементов ЗУ, от влажности грунта (а), водородного показателя (б), концентрации ионов сульфата (в), концентрации ионов хлорида (г) и наличия блуждающих токов (д). В данном случае потеря массы металла характеризует результаты коррозии.
Из анализа зависимостей (см. рис. 1) следует, что наибольшее влияние на коррозию элементов ЗУ оказывают влажность грунта и наличие блуждающего тока.
Для определения минимального числа опытов
(длительность каждого из них составляет не менее 240 часов) воспользуемся теорией планирования многофакторного отсеивающего эксперимента, что позволит минимизировать трудовые и временные затраты [12, 13].
Постановка задачи исследования
На начальном этапе планирования необходимо решить следующие задачи:
– выявить характеристики грунта, влияющие на процесс коррозии элементов ЗУ;
– классифицировать факторы по способу управления и определить их уровни;
– составить матрицу отсеивающего эксперимента.
Для построения математической модели объекта исследования применим кибернетическую систему, называемую «черным ящиком» [14, 15], где исследуют только воздействия на систему и реакции системы на эти воздействия (рис. 2).
Теоретическая часть исследования
Все факторы, воздействующие на систему, разбиваем по группам Х , Z , q , (табл. 1):
X – факторы, которые влияют на поведение системы и которыми мы можем управлять по определенным законам (матрицам);
Z – факторы, которые влияют на поведение системы, но управлять ими вследствие ограничений (технических, технологических, экономических, социальных и др.) не представляется возможным;
q – факторы, которые влияют на поведение системы, но управление ими на данном этапе развития цивилизации невозможно.
у – реакции системы на воздействия, параметры оптимизации, целевые функции.
б)
в)
г)
д)
Рис. 1. Зависимость потери массы электродов от влажности грунта (а), его рН (б), концентрации ионов сульфата (в) и ионов хлорида (г), и наличия блуждающих токов (д)
Рис. 2. Система черного ящика
Таблица 1
Факторы, воздействующие на систему «черный ящик»
|
№ п/п |
Номер фактора |
Классификация факторов |
Расшифровка и диапазон варьирования регулируемых факторов |
|
1 |
r 1 |
X 1 |
Влажность грунта (5–30 %) |
|
2 |
r 2 |
X 2 |
Водородный показатель грунта (3,5–10,5) |
|
3 |
r 3 |
X 3 |
Концентрация ионов сульфата (0,45–0,65 %) |
|
4 |
r 4 |
X 4 |
Концентрация ионов хлорида (0,3–0,45 %) |
|
5 |
r 5 |
X 5 |
Наличие блуждающих токов (120–150 мА) |
|
6 |
r 6 |
Z 1 |
Температура грунта, °С |
|
7 |
r 7 |
Z 2 |
Электропроводность грунта, Ом·м |
|
8 |
r 8 |
Z 3 |
Вид грунта |
|
9 |
r 9 |
q 1 |
Бактериальный состав грунта |
|
10 |
r 10 |
q 2 |
Газовый состав грунта |
|
11 |
r 11 |
Z 4 |
Частота приложенного напряжения, 50 Гц |
|
12 |
r 12 |
Z 5 |
Объем диэлектрической ванны (0,37 м3) |
|
13 |
r 13 |
Z 6 |
Глубина диэлектрической ванны (165 мм) |
|
14 |
r 14 |
Z 7 |
Место расположения электродов |
|
15 |
r 15 |
Z 8 |
Форма электродов (цилиндрическая) |
|
16 |
r 16 |
Z 9 |
Глубина залегания электродов (35 мм) |
|
17 |
r 17 |
Z 10 |
Площадь электродов (990 мм2) |
|
18 |
r 18 |
Z 11 |
Материал электродов (сталь без антикоррозионного покрытия) |
|
19 |
r 19 |
Z 12 |
Геометрическая форма контура (прямоугольная) |
|
20 |
r 20 |
Z 13 |
Площадь контура (351 см2) |
|
21 |
r 21 |
Z 14 |
Глубина расположения контура (3 мм) |
|
22 |
r 22 |
Z 15 |
Материал контура (сталь без антикоррозионного покрытия) |
|
23 |
r 23 |
Z 16 |
Обратный провод (медная фольга) |
|
24 |
r 24 |
Z 17 |
Площадь фольги (112 см2) |
|
25 |
r 25 |
Z 18 |
Источник блуждающих токов |
|
27 |
Y 1 |
Потеря массы электродов, % |
|
|
26 |
Y 2 |
Сопротивление растеканию тока заземляющих электродов, Ом |
|
Каждый фактор может принимать в опыте одно из нескольких значений.
При решении задачи будем использовать математические модели объекта исследования. Под математической моделью мы понимаем уравнение, связывающее параметр оптимизации с факторами. Это уравнение в общем виде можно записать так:
у = f ( X ) + e 1 + e 2 ,
Z = const; q = const, где у, X, Z, q – совокупность соответствующих элементов «черного ящика»;
e 1 , e 2 – погрешности системы 1-го и 2-го рода (систематические и случайные).
В качестве констант для Z и q рекомендуется принимать наилучшие значения этих факторов [16–19].
В качестве отклика, характеризующего систему, примем:
y 1 – потеря массы заземляющих электродов, мкг;
y 2 – сопротивление растеканию тока заземляющих электродов, Ом.
Как видно из классификации факторов, на скорость коррозии ЗУ влияют 7 управляемых факторов, то есть те, которые отнесены к группе X.
Для определения наиболее значимых факторов необходимо провести отсеивающий эксперимент на основе плана Плакетта – Бермана [20]. Выбранный план является одним из самых экономичных по числу опытов и эффективным для дисперсионного анализа. В данном случае необходимо будет провести N = 8 опытов для 5 факторов.
Опираясь на данные табл. 1, составим план Плакетта – Бермана (табл. 2) с кодированными и физическими факторами, обозначая их знаками «+», «–» и диапазон физического значения каждого из них.
По результатам исследований, проведенных по планам Плакетта–Бермана, была построена диаграмма рассеяния выделения существенных факторов (рис. 2) [21].
Практическая значимость результатов
Полученные результаты исследования влияния вышеуказанных факторов на процесс коррозии элементов заземлителя могут применяться для построения математической модели с целью прогнозирования состояния элементов ЗУ.
Таблица 2
План Плакетта – Бермана
|
№ опыта |
Уровни факторов |
Отклики |
||||||||||
|
X 1 |
X 2 |
X 3 |
X 4 |
X 5 |
Y 1 , % |
Y 2 , Ом |
||||||
|
код |
физ. |
код |
физ. |
код |
физ. |
код |
физ. |
код |
физ. |
|||
|
1 |
+ |
30 |
+ |
10,5 |
– |
0,45 |
+ |
0,45 |
– |
120 |
0,1604 |
– |
|
2 |
– |
5 |
+ |
10,5 |
+ |
0,6 |
– |
0,3 |
+ |
150 |
0,1381 |
– |
|
3 |
– |
5 |
– |
3,5 |
+ |
0,6 |
+ |
0,45 |
– |
120 |
0,1352 |
– |
|
4 |
+ |
30 |
– |
3,5 |
+ |
0,6 |
+ |
0,45 |
+ |
150 |
0,1724 |
– |
|
5 |
– |
5 |
+ |
10,5 |
– |
0,45 |
+ |
0,45 |
+ |
150 |
0,1359 |
– |
|
6 |
+ |
30 |
– |
3,5 |
– |
0,45 |
– |
0,3 |
+ |
150 |
0,1721 |
– |
|
7 |
+ |
30 |
+ |
10,5 |
+ |
0,6 |
– |
0,3 |
– |
120 |
0,1345 |
– |
|
8 |
– |
5 |
– |
3,5 |
– |
0,45 |
– |
0,3 |
– |
120 |
0,0233 |
– |
Рис. 2. Диаграмма рассеяния результатов первого этапа выделения существенных эффектов
Выводы
Наиболее существенными факторами, влияющими на процесс коррозии ЗУ, являются влажность грунта и наличие блуждающих токов. Остальные факторы (водородный показатель грунта и концентрация химических минералов) на процесс коррозии не оказывают существенного влияния. Разработанный план отсеивающего эксперимента позволил минимизировать количество экспериментов по исследованию влияния различных факторов на процесс коррозии ЗУ.
Список литературы Разработка плана отсеивающего эксперимента по исследованию влияния различных факторов на процесс коррозии заземляющих устройств
- СТО 56947007-29.130.15.105-2011. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. Стандарт организации АОА «ФСК ЕЭС». -www.fskees.ru/upload/docs/STO_56947007-29.130.15.105.-2011.pdf.
- Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. -М: НГТУ, МЭИ ТУ, НПФ ЭЛНАП, АО «Фирма ОРГРЭС», 2000. -54 с.
- РД -153-34.0-20.525-00 Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. -htt://www.russgost.ru/catalog/item43217.
- Сидоров, А.И. О проблеме непрерывного контроля состояния заземляющего устройства/А.И. Сидоров, А.Б. Тряпицын//Материалы 65-й научной конференции. Секции технических наук: в 2 т. -Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2013. -Т. 1. -С. 241-244.
- Сидоров, А.И. Технические средства для определения состояния заземляющих устройств/А.И. Сидоров, А.Б. Тряпицын, Р.Т. Абдуллоев//Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: сб. материалов VI-й Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 т./под. ред. А.И. Сидорова. -Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2015. -Т. 1. -С. 243-245.
- Абдуллоев, Р.Т. Особенности работы заземляющих устройств тяговых подстанций/Р.Т. Абдуллоев, А.А. Вершинина//Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи: сборник материалов III-й Всероссийской студенческой конференции (с международным участием)/под. ред. А.И. Сидоров. -Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2014. -С. 4-5.
- Пат. 161812 Российская Федерация: МПК G01R 19/45 (2006.01). Установка для исследования влияния факторов окружающей среды и блуждающих токов на процесс коррозии заземляющих устройств/Р.Т. Абдуллоев, А.И. Сидоров, А.Б. Тряпицын. -№ 2015145568/28; заявл. 22.10.2015; опубл. 10.05.2016, Бюл. № 13-2016. -2 с.
- Абдуллоев, Р.Т. Стенд для исследования заземляющих устройств/Р.Т. Абдуллоев, А.Б. Тряпицын//Материалы LIII международной научно-технической конференции «Достижения науки -агропромышленному производству»/под ред. д-ра техн. наук П. Г. Свечникова. -Челябинск: ЧГАА, 2014. -Ч. IV. -С. 98-103.
- Абдуллоев, Р.Т. Моделирование заземляющих устройств/Р.Т. Абдуллоев.//Материалы VI Международной заочной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире». -Чита: ЗабГУ, 2013. -С. 30-33.
- Абдуллоев, Р.Т. Особенности конструктивного выполнения заземляющих устройств тяговых подстанций/Р.Т. Абдуллоев, А.Б. Тряпицын, А.И. Сидоров//Материалы 66-й научной конференции. «Наука ЮУрГУ» : Секции технических наук. -Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2014 -С. 551-554.
- Абдуллоев, Р.Т. Физическое моделирование элементов заземлителей при учете электромагнитных процессов/Р.Т. Абдуллоев, А.И. Сидоров//Материалы 67-й научной конференции. «Наука ЮУрГУ» : Секции технических наук. -Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2015. -С. 467-473.
- Абдуллоев, Р.Т. Планирование эксперимента по исследованию влияния внешних факторов на техническое состояние заземляющих устройств/Р.Т. Абдуллоев, А.И. Сидоров, А.Б. Тряпицын//Электробезопасность. -2015. -№ 2. -С. 38-42.
- Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий/Ю.П. Адлер, Е.В. Макарова, Ю.В. Грановский. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Наука, 1976. -279 с.
- Хартман, К. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов/К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер; под ред. Э.К. Лецкого. -М.: Мир, 1977. -552 с.
- Коржов, А.В. Выявление факторов, определяющих величину тока утечки, протекающего через тело человека, обусловленного влиянием электрического поля промышленной частоты/А.В. Коржов, Н.И. Горбунов//Электробезопасность. -2015. -№ 2-3. -С. 26-31.
- Зыкина, Е.В. Планирование эксперимента по исследованию влияния шума на электрическое сопротивление тела человека/Е.В. Зыкина//Материалы 63-й научной конференции. Секции технических наук: в 2 т. -Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2011. -Т. 2. -С. 25-29.
- Адлер, Ю.П. Введение в планирование эксперимента/Ю.П. Адлер. -М.: Металлургия, 1968. -155 с.
- Мельников, С.В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов/С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин; под. ред. С.В. Мельникова. -2-е изд. перераб. и доп. -Л.: Колос, 1980. -168 с.
- Налимов, В.В. Статические методы планирования экстремальных экспериментов/В.В. Налимов, Н.А. Чернова. -М.: Наука, 1965. -340 с.
- Зыкина, Е.В. Разработка плана проведения отсеивающего эксперимента по исследованию влияния шума на электрическое сопротивление тела человека/Е.В. Зыкина//Научный поиск. Технические науки: материалы третьей науч. конф. аспирантов и докторантов. -Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2011. -Т. 1. -С. 19-22.
- Крупин, А.Е. Отсеивание факторов при планировании эксперимента/А.Е. Крупин, Д.В. Зуйков//Вестник НГИЭИ. Серия «Экономика и экономические науки». -2014. -Вып. № 4 (35). -С. 62-70.
