WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Определение температуры и влажности грунта для расчета сопротивлений заземлителей

На правах рукописи

ИСАБЕКОВА БИБИГУЛЬ БЕЙСЕМБАЕВНА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА
ДЛЯ РАСЧЕТА СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.02 – «Электрические станции и
электроэнергетические системы»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Омск, 2011

Работа выполнена в: ФГБОУ ВПО Омского государственного технического университета и РГКП «Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова» (Республика Казахстан)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Клецель Марк Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Федоров Владимир Кузьмич

кандидат технических наук, доцент

Кондратьев Юрий Владимирович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Защита диссертации состоится «29» ноября 2011г. в 16-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.12 при Омском государственном техническом университете, по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, корп. 6, ауд. 340. Тел/факс: (8-3812)65-64-92, е-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, Ученый совет.

Автореферат разослан «29» октября 2011г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д.С. Осипов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Работа электростанций и электроэнергетических систем немыслима без заземляющих устройств (ЗУ). Важнейшей характеристикой ЗУ является их электрическое сопротивление, которое пропорционально удельному электрическому сопротивлению грунта, а меняется в широких пределах в зависимости от температуры t, влажности v и вида грунта. Большой вклад в определение внесли Карякин Р.Н., Солнцев В.И., Долин П.А., Саркисова Л.А. и др. Известные формулы и сезонные коэффициенты, рекомендуемые ПУЭ, по которым можно рассчитать , дают лишь приблизительную картину его изменения от выше перечисленных параметров, что влечет за собой усложнение конструкции устройства заземления и увеличение количества металла для его изготовления. Анализ широко известных программ для определения параметров заземлителей, например «ОРУ-Проект» (НПФ ЭЛНАП, Москва, 2008г.), «Zazemlitel 1.0» (используется в Энергопроект-Севере и ОАО НМУ-2 "Сибэлектромонтаж") показывает, что в них или измеряют и потом вводят поправочные коэффициенты, учитывающие климатическую зону и влажность на момент измерения, или выбирают среднее его значение, пренебрегая зависимостью от t и v. Это приводит к погрешностям расчета до 60%. Предложенная в последнее время Павлодарским государственным университетом им. С. Торайгырова методика

[1], разработанная на основе использования нечеткой логики, позволяет более точно определять грунта в зависимости от его температуры t и влажности v. Но она требует большого количества трудоемких измерений t и v грунта и не учитывает влияние его плотности.

В связи с вышеизложенным, возникает необходимость, не делая трудоемких измерений, определять в любое время года значения t и v грунта на глубине ЗУ и зависимость грунта от его плотности, а также разработать алгоритм расчета с учетом изменений вышеперечисленных параметров и программу для определения сопротивлений заземлителей.

Таким образом, тема диссертации, посвященная решению этих задач, является актуальной.

Объектами исследования являются удельное электрическое сопротивления грунта и сопротивление заземлителей.

Предмет исследования: разработка методов, позволяющих без трудоемких измерений определять температуру, влажность и плотность грунта для расчетов на электрических станциях и в электроэнергетических системах.

В данной работе не рассматривается зона вечной мерзлоты в связи с тем, что грунты в этих районах имеют большие особенности.

Цель работы - разработка методов, совершенствующих определение сопротивлений заземлителей.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ существующих методов расчета и сопротивлений ЗУ для выявления их недостатков;

- разработка методов расчета влажности грунта (на глубинах до 15м) и его температуры (по данным метеоцентров и на основе теплофизических характеристик грунта, полученных в лабораторных условиях) в средних широтах, не требующих трудоемких измерений;

- уточнение зависимости грунта от его плотности;



- разработка алгоритма вычисления грунта на основе вышеуказанных методов и программы для определения сопротивления ЗУ в однородном, двухслойном и многослойном грунтах на электрических станциях и в электроэнергетических системах.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались фундаментальные положения теоретических основ электротехники, численные методы, теория нечеткой логики. Проводились компьютерное и физическое моделирования. Программа выполнена в среде программирования Turbo Delphi.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются незначительным отличием экспериментальных данных от результатов расчетов, проведенных по разработанным методам. Эти результаты свидетельствуют о правильности принятых допущений и использования нечеткой логики для решения поставленных задач.

Научная новизна:

- разработаны методы определения зависимостей влажности грунта на глубине до 1м от средней скорости ветра, количества осадков и температуры на поверхности грунта и на глубинах от 1м до 15м от уровня грунтовых вод. В отличие от известных, они основаны на использовании нечеткой логики;

- получена новая зависимость температуры грунта от его глубины и времени года, основанная на использовании теории теплопроводности Фурье и данных метеостанций, но без применения коэффициента температуропроводности;

- получены зависимости темплоемкости и температуропроводности грунта от влажности, на основе которых по известным формулам рассчитывается температура грунта. При разработке зависимостей впервые использована нечеткая логика;

- уточнены формула для расчета сопротивлений заземлителей и зависимости удельного сопротивления песка, супеси и суглинка от их плотности.

Практическая ценность работы:

- один из разработанных методов позволяет определять влажность грунта по данным метеостанций на глубине до 1м с погрешностью, не превышающей 50%, другой – по данным геологоразведочных центров на глубинах от 1 до 15м с погрешностью до 20% для сухих грунтов и 10% для влажных.

- третий и четвертый дают возможность находить температуру грунта на глубинах до 15м в средних и до 10м в южных широтах с погрешностью 4-15% и на глубине до 1м с погрешностью до 10%.

- полученные зависимости супеси, песка и суглинка от их плотности уточняют расчетную величину на 3-9%;

- алгоритм и программа, разработанные на основе использования предложенных методов, дают возможность определять грунта и сопротивление ЗУ на электрических станциях и в электроэнергетических системах с погрешностью до 30% без трудоемких измерений температуры и влажности на глубине заземлителей.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методы определения влажности грунта на базе нечеткой логики в зависимости от климатических условий и уровня грунтовых вод;

- зависимость температуры грунта от времени года и глубины до 15м в средних широтах и до 10м в южных по данным метеостанций;

- метод определения теплофизических характеристик грунта для расчета его температуры;

- зависимость удельного сопротивления грунта от его плотности;

- алгоритм расчета грунта с использованием вышеуказанных методов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в Павлодарском государственном университете им. С.Торайгырова в учебном процессе на кафедре «Автоматизация и управление». В ближайшее время предполагается использовать разработанную программу на электростанциях Экибастузского энергетического комплекса и на Ермаковской ГРЭС, а также в Павлодарском ТОО «ДорРемСтрой ПВ», где экономический эффект от внедрения составит около 309500 руб.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность!» (г. Омск, 2008г.), на XII и XIII Международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» (Украина, г.Алушта, 2008г. и 2010г.), заседаниях научных семинаров кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова (Казахстан, г.Павлодар, 2011г.), кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (г.Омск, 2011г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи из перечня ВАК РФ и 6 статей в научных изданиях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.

Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач и методология их решения разработаны автором самостоятельно.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 109 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 3 таблицы, список использованных источников из 97 наименований и 6 приложений.

Автор выражает признательность к.т.н. Зайцевой Н.М. за консультации по ряду вопросов, затронутых в работе.

Основное содержание работы

В ведении обоснованы актуальность и цель работы, отражены научная новизна и практическая ценность (значимость). Описаны методы исследования поставленных задач, а также даны положения, выносимые на защиту.

Сделан вывод о необходимости разработки методов, совершенствующих определение сопротивлениий заземлителей.

В первой главе «Анализ методов определения сопротивлений заземлителей на электростанциях и в электроэнергетических системах» рассмотрены виды заземлений и часто используемые формулы расчета сопротивлений ЗУ для однородного и двухслойного грунтов, метод оптической аналогии для многослойного грунта и наиболее известные программы для определения параметров ЗУ. Расчеты по этим формулам, методам и программам достаточно точны, если в них определяется экспериментально. Как показано в работе, эти эксперименты весьма трудоемки и проводить их зимой проблематично. Проанализированы известные формулы и методики определения грунта в зависимости от температуры t, влажности v, вида грунта, времени года и его плотности. Акцентируется внимание на то, что расчеты по ним, или с использованием сезонных коэффициентов, рекомендуемых ПУЭ, могут давать погрешности до 60%. Методика1, дающая возможность более точно рассчитать, разработанная с использованием нечеткой логики, предполагает знание значения t и v грунта на глубине заземлителя, что требует их измерений в течение года. Она также не учитывает влияние уплотнения грунта. На основе изложенного делается вывод о необходимости создания методов, позволяющих без трудоемких измерений рассчитать в зависимости от температуры, влажности и плотности грунта.





Рассмотрен математический аппарат нечетких множеств, так как он позволяет решать задачи с неполными и неточными исходными данными, а влажность v является нечетким понятием из-за отсутствия четкой границы между понятиями «сухо» и «влажно». Описаны нечеткая переменная (НП) v с базовым терм-множеством и функции принадлежности (ФП) , которые представляют собой некоторое субъективное измерение нечеткой принадлежности элемента v заданному множеству. Если , то элемент четко принадлежит данному множеству, если , то - не принадлежит. Строящаяся модель имеет вид , где - регрессионная зависимость, полученная экспериментально, N – количество интервалов.

Во второй главе «Определение влажности и плотности грунта для расчетов его удельного электрического сопротивления» рассмотрены следующие вопросы:

1. Построение многофакторной модели, позволяющей определять влажность грунта на глубине до 1м. Для построения использовались усредненные данные метеостанции г. Павлодара за 2005-2008гг.: количество осадков , мм, температура на поверхности грунта tпг, 0С и средняя скорость ветра , м/с. Экспериментально получена линейная функция (с применением метода наименьших квадратов), которая выглядит так:

(1)

Для определения влажности в любое время года добавим нечеткую переменную «влажность». В зимние месяцы влажность не изменяется, так как осадки накапливаются в виде снега и льда на поверхности земли и не проникают вглубь. В первый временной интервал моделирования входят месяцы, в которых температура воздуха устойчиво держится ниже нуля градусов Цельсия (для нашей климатической зоны с ноября по февраль), во второй – с апреля по октябрь. Таким образом, можно считать, что ФП =1 и =0 с ноября по февраль, а с апреля по октябрь – =0 и =1, где - номер месяца. Интервал переключения – март (месяц активного снеготаяния) подекадно, в котором и , где dd - декада марта, 0,68 и 1 – определяют степень нечеткости и положение на числовой оси параметра влажность. Сказанное иллюстрируется рисунком 1 и записывается следующим образом:

,. (2) Семейство ФП для определения влажности по месяцам В-20, . (2)

Рисунок 1 - Семейство ФП для определения влажности по месяцам

В результате получена зависимость от времени года (по месяцам):

, (3)

где - влажность, рассчитанная по (1) за октябрь месяц, т.к. в зимние месяцы она не изменяется. Причем, в марте количество осадков, накопленное в виде снежного покрова за зимние месяцы, рассчитывается их суммированием за месяцы с ноября по март.

Адекватность метода доказана по критерию Fэк Фишера (оценивается степень отклонения v, вычисленной по (3)). Зависимость от времени года представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Сопоставление полученной зависимости v от m с данными метеостанции за 2005-2008гг. на глубине 1м.

Таким образом, полученная зависимость влажности (для глубин до 1м) от среднемесячного количества осадков, температуры на поверхности грунта и скорости ветра позволяет находить ее с погрешностью не превышающей 50%

2. Определение влажности грунта на глубине от 1 до 15м. Влажность грунтов, не подверженных замерзанию, расположенных ниже 1м, практически не зависит от климатических условий, а меняется с учетом от уровня грунтовых вод. В разработанном методе используется нечеткая логика и высота капиллярного поднятия (для песка – 0,5м, для супеси – 1м, для глины – 2,5м), а также данные геологоразведочного центра. Добавим нечеткую переменную «близость грунтовых вод» . Введем два терма: первый «рядом» с функцией принадлежности и второй «далеко» с . Тогда будет два интервала: первый на промежутке м; второй – , м; интервал переключения – , м. Выбрано число , т.к. с этого расстояния начинает высыхать грунт. Когда имеются два интервала, принято выбирать из числа стандартных функций принадлежности Z- и S-функции для и . Для терма «рядом» на первом интервале =1, на втором =0, на интервале переключения =. Последняя определяется так: если убывающая, то =1–, а =. Она вычисляется из соотношения сторон ав/ах=св/бх треугольников асв и хба, т.к. они подобны (рис.1). Для терма «далеко» =1- на этих же интервалах. Отметим, что для построения функции принадлежности по оси ординат масштаб не имеет значения. и представлены на рисунке 3 и имеют вид:

,. (4) Функции принадлежности и Формула для определения v-49, . (4)

 Функции принадлежности и Формула для определения v запишется:-51

Рисунок 3 - Функции принадлежности и

Формула для определения v запишется: . Зависимость построена по данным геологоразведочного центра в виде кривой, полученной при использовании метода наименьших квадратов, например для песка =, а =4,5 (4,5 – влажность естественного залегания песка). В результате влажность грунта определяется по формулам:

(5)

где коэффициенты 18, 23, 50 – это максимальная влагоемкость грунтов. Для влагонасыщенного грунта, например песка, процентное содержание влаги может быть и 25%.

Рисунок 4 – Определение влажности песка

Например, для песка на глубине h=5,2м (точка х1, рис. 4) нужно определить влажность грунта, при этом уровень грунтовых вод hугв=5м. Рассчитывается =|h-hугв|=0,2м., что соответствует терму «близко», т.к. с =1 и =0 (рис. 3), влажность %. Если h=5,8м (точка х2), то hГВ=0,8м, =0, =1, v=4,5%. Если h=5,47м (точка х), то hГВ=0,47м. Эта точка лежит на интервале переключения , то ==0,7, =0,3 и по (5) определяем v=4,7%.

Рисунок 5 – Зависимость влажности v (кривые 3,4) и температуры t (кривые 5,6) от глубины h, и данные (1,2) геологоразведочного центра

Были произведены расчеты v по (5) для двух геологоразведочных скважин в районе Павлодарской области. На рисунке 5 представлены: экспериментальные данные, обозначенные 1 и 2 (скважина 704 от 06.01.2007г. и скважина 403 от 25.05.2006г), и кривые 3 и 4, рассчитанные по (5) для трех слоев (супесь, песок и глина), соединенных между собой тонким пунктиром. Кривые 3 и 4 имеют скачки влажности v: первый резкий скачок v объясняется наличием грунтовых вод на глубине 4м и 6,8м, соответственно, второй – из-за разной влагоемкости каждого слоя песка и глины. При этом для песка v максимальна с 4м до 5м (кривая 3) и с 6,8м до 11м (кривая 4), т.к. на этих глубинах находятся грунтовые воды.

Адекватность метода подтверждена с помощью критерия Фишера. Таким образом, зная количество слоев, их вид и глубину залегания грунтовых вод, по формуле (5) можно определить влажность грунта в любое время года на глубине от 1 до 15м. (Погрешность расчета не превышает 20% для сухих и 10% для влажных грунтов).

3. Зависимость удельного сопротивления грунта от его плотности. Степень уплотненности dгр грунта оказывает непосредственное влияние на его наряду с v и t. Для определения зависимости от dгр была изготовлена установка, содержащая трубу, закрепленную вертикально, два внутренних электрода, размещенных в радиальных отверстиях в средней части трубы, и два внешних, закрепленных в верхней и нижней части трубы. В трубу загружался образец грунта известного веса, влажности и температуры, и для уплотнения подвергался виброобработке. Затем на внешние электроды подавалось заданное напряжение, а ток на внутренних электродах измерялся амперметром. В результате были получены экспериментальные данные для песка, супеси и суглинка при разной степени увлажненности. При этом использовались сыпучие виды грунтов, не имеющие глыбистых образований и примесей. У песка длина столбца изменяется от 1,98 до 1,78м (на 10%), а в увлажненном виде на 21%, т.е. с увеличением влажности грунт хорошо трамбуется. Суглинок уплотняется на 10-25%, и длина столба данного грунта при увлажненности в 2,5% изменяется на 15%.

 Зависимость песка от dгр: кривые 1,2 - с камнями и пустотами,-75

Рисунок 6 – Зависимость песка от dгр: кривые 1,2 - с камнями и пустотами, кривые 3,4,5 - однородный сыпучий грунт, 6 – экспериментальные данные,

7- данные геологоразведочного центра.

Из рисунка 6 видно (прямая 5, данные 6 и 7), что с ростом плотности грунта увеличивается. Эти эксперименты обработаны с помощью метода наименьших квадратов. Получены следующие зависимости для суглинка и песка:

, , (6)

где - удельное электрическое сопротивление, вычисляемое по методике*, d*гр – плотность естественного залегания грунта.

Существует утверждение, что чем выше dгр, т. е. чем лучше утрамбован грунт, тем меньше его . Объясняется это тем, что с уплотнением грунта исчезают свободные пространства между его частицами. Следовательно, повышается его способность удерживать влагу, благодаря чему и увеличивается проводимость грунта. В связи с этим при устройстве заземлений необходимо тщательно трамбовать грунт. Это утверждение справедливо для глыбистых неоднородных грунтов с комками и пустотами, где зависимость от dгр имеет резкое уменьшение (рисунок 6, кривые 1,2). Затем, когда пустоты исчезнут, постепенно увеличивается линейно по (6). Это доказано экспериментально (см. рисунок 6). Емкость с определенным радиусом и высотой заполнялась грунтом известных веса, v и t, и подвергалась не виброобработке, а давлению определенным весом. Для эксперимента брался грунт с комками и пустотами и без них. Чем больше комков и пустот в грунте, тем изменение зависимости от плотности резче. Изменение dгр от v для песка и супеси практически линейное, а для суглинка нелинейное. Таким образом, влияние t и v на dгр незначительно: при увлажнении песка с 0 до 10% его dгр увеличивается на 314 кг/м3. При этом уменьшается с 6100 Омм до 16 Омм (в 380 раз), а при изменении dгр на 314 кг/м3 увеличивается на 3,2·10-3Омм.

Из данных геологоразведочного центра Павлодарского региона видно, что плотность естественного залегания, например, песка средней крупности составляет 2,1·10 кг/м3. Слегка влажный песок уплотняется от 1,74 до 2,1·10 кг/м3. Наши расчеты по (6) показывают, что при этом изменяется на 12%. Если песок сухой, то dгр меняется от 1,98 до 2,16·10 кг/м3, а на 9%. Полученные результаты могут быть использованы при корректировке параметров ЗУ электроустановок при последующем оседании грунта.

В третьей главе «Определение температуры грунта» рассмотрены следующие вопросы:

1. Анализ существующих методов определения температуры грунта.

2. Определение температуры t грунта в любое время года на основе её среднемесячных значений. На основе анализа данных метеоцентров и теории теплопроводности Фурье нами разработана следующая формула для глубин до 15м в средних широтах и до 10м в южных:

, (7)

где g – количество суток (дни), коэффициент «20» – учитывает запаздывание (в сутках) максимума (минимума) годового колебания t на 1м глубины относительно t поверхности грунта, tП и hП – температура и глубина «слоя постоянной t», oC, tП близка к средней годовой t поверхности грунта, например для средних широт tП 80С; АП - амплитуда колебания t поверхности грунта (относительно слоя постоянной годовой t) на требуемой глубине, oC; АПТ - амплитуда колебания t на глубинах с постоянной годовой температурой, приблизительно АПТ0,1оС; , tПmax и tПmin – максимальная и минимальная среднемесячная t поверхности грунта за год для данной местности. Так, например, для Калининграда АП=10,5оС и tП=80С.

Мы ограничились глубиной 15м в средних широтах и 10м в южных в связи с тем, что начиная с этих глубин температура, как известно, увеличивается на 30С на каждые 100 м.

Проверка адекватности метода выполнялась для двух регионов средней и одной южной широты: Калининграда, Павлодара (данные метеостанции за 2005–2008 гг.) и Ставрополя. Вычисленные значения годового хода температур имеют на глубине 10-30см максимальное расхождение с данными метеостанций перечисленных выше городов не более 3оС, что объясняется влиянием суточных колебаний t. И как показывают расчеты для разных грунтов и температур по методике*, ошибка в 3оС приводит к погрешностям при определении , не превышающим 10%. С увеличением глубины расхождение уменьшается, а на глубине 7м эта величина уже составляет не более 0,8 оС.

Однако формула (7) не учитывает суточные колебания t, вид грунта и его влажность, что, как показывает дальнейший анализ, увеличивает погрешности определения t на 5ё10%. Зависимости изменения t по глубине, рассчитанные по (7) для июля и января месяца, представлены на рисунке 3 (кривые 5, 6). Из их анализа и данных метеостанций за 2000-2009гг. видно, что температура верхних слоев грунта сильно изменяется, а в глубоких почти постоянна и стремится к среднему значению tП. Таким образом, формула (7) дает возможность на стадии проектирования заземлителей определить t грунта по данным метеоцентра с погрешностью не более 4ё15% в любое время года на глубине до 15м в средних и до 10м в южных широтах.

3. Определение t на глубине заземлителей. Производиться на основе предложенного в данной работе метода определения температуропроводности К и объемной теплоемкости с грунта по известным формулам:

, (8).

где и t0 - температуры грунта для глубин () и h; - интервал времени ее изменения от до .

Сначала рассчитывается тепловой поток, идущий на нагревание верхнего слоя грунта, t которого измеряется. Затем количество тепла, расходуемое на нагревание более глубоких слоев без температурных данных. И, наконец, из общего теплового потока находится t на нужной глубине.

«с» и «» определялись с помощью калориметра (рисунок 7), состоящего из сосуда 1 с водой 2, в котором находятся: камера 3 (капсула) сначала с водой, а потом с грунтом, нагреватель 4 (кипятильник), термометры 5 и 6. Температура измеряется через равные промежутки времени для определения количества теплоты, введенного в калориметр. Нагрев в капсуле фиксируется термометром 6, а изменение t в калориметре термометром 5.

 Калориметр Для определения теплоемкости ск калориметра, учета-98

Рисунок 7 – Калориметр

Для определения теплоемкости ск калориметра, учета теплопотерь и теплоемкости сгр грунта используется уравнение теплового баланса , где – теплота, выделяемая водой в калориметре, – теплота, воспринимаемая капсулой (грунтом). Они определяются по следующим формулам, записанным на основе элементарных понятий физики:

, ,

где – теплоемкость калориметра, кал/см3·град; m2 – масса воды в калориметре, кг; - скорость теплопотерь калориметра, кал/сек; - промежуток времени, через который проводится измерение t, сек; m3a – масса капсулы, кг; – теплоемкость капсулы, кал/см3·град; – теплоемкость воды (грунта), кал/см3·град; m3в(гр)– масса воды (грунта) в капсуле, кг; и , где и – температуры (0С) в калориметре и в капсуле в разные моменты времени.

Эксперименты проводятся в следующей последовательности: 1) Калориметр наполняется водой для определения скорости его теплопотерь. 2) Для определения теплоемкости калориметра сначала в него и в капсулу заливается вода. Температура воды в калориметре нагревается до 950С, затем туда помещается капсула, t воды в которой 250С. Показания термометров регистрируются через каждые две минуты. Из уравнения теплового баланса Q2=Q3 вычисляется . 3) Для определения теплоемкости сгр грунта в капсулу засыпается грунт (песок, супесь, глина) определенной массы и влажности. Затем она помещается в калориметр с водой, нагретой до 950С. Измеряется t воды в калориметре и t грунта через каждые две минуты. Эти данные заносятся в таблицу. Из уравнения теплового баланса Q2=Q3 находится сгр. 4) Затем из (8) определяется температуропроводность К.

Зависимости теплоемкости от влажности найдены на основе наших экспериментальных данных с помощью регрессионного моделирования. Ниже приведены эти зависимости для песка и глины:

(9)

Определение зависимости от выполнено с помощью нечеткой логики и экспериментальных данных, полученных нами с помощью калориметра. Так для песка, супеси и глины:

(10)

где v – влажность, заданная нечетко, первый интервал - «сухо», второй - - «влажно», область переключения: , - ФП, принимающая значение 1 (0) при и значение 0 (1) при .

Разработанный метод определения теплофизических характеристик грунта позволяет рассчитать его t с погрешностью менее 10% на глубинах до 1м.

В четвертой главе «Разработка программы для расчета сопротивлений заземлителей, учитывающей предложенные методы» представлены алгоритмы и программа для расчета. В известную формулу для определения влажность подставляется из (5) и температура t – из (7). В результате формула песка для глубин до 15м принимает вид:

при t>0: , (11)

где - функции принадлежности из методики1,

при t<0: (12)

.

Таким образом, для определения необходимо знать глубину h, температуру tП и амплитуду АП колебания температуры на поверхности грунта, количество дней g (от 0 до 365), широту данной местности и расстояние hГВ от уровня грунтовых вод. Предлагаемая нами программа позволяет определять и строить зависимости от температуры и влажности грунта в любое время года (рисунок 8). И выбрать или уточнить самый наихудший вариант значения с погрешностью до 30% по сравнению с экспериментальными данными. Из рисунка 8 видно, при увеличении влажности грунта уменьшается в весенние и осенние месяцы (кривые 1,3), если v=0%, то наоборот увеличивается (кривая 5). С увеличением глубины залегания ЗУ грунта более стабильно (кривые 2,4).

Рисунок 8 – Сопоставление полученных по (11)-(12) зависимостей песка в течение года для глубин 0,7м и 2,5м (кривые 1 и 2) и для глубины 0,7 с v=0% (кривая 5) с широко известными данными (кривые 3,4) и с экспериментами (6).

Программа также позволяет выводить результат расчета v и t для каждого слоя, строить графики изменения t вглубь грунта в любое время года, зависимости грунта от v и t. Для примера, на рисунке 9 представлены зависимости от v1, v2, v3 и t1, t2, t3 для первого, второго и третьего слоев супеси, песка и глины, соответственно.

Разработана программа для расчета заземлителей, как простых, так и сложных, в однородном, двухслойном грунтах с учетом температуры, влажности, плотности, вида грунта и времени года. Она позволяет построить графики изменения сопротивлений горизонтального и вертикального заземлителей в любое время года. Реализован алгоритм расчета взаимных сопротивлений ЗУ (вертикальных, горизонтальных и вертикального с горизонтальным электродами) в двухслойном и многослойном грунтах с использованием оптической аналогии. Программа написана на языке программирования Delphi.

 Зависимости удельного сопротивления трех слоев грунта от-139

Рисунок 9 – Зависимости удельного сопротивления трех слоев грунта от температуры и влажности.

Основные выводы и рекомендации

В работе решена научно-техническая задача разработки методов, дающих возможность без трудоемких измерений определять температуру, влажность и плотность грунта для расчета его удельного электрического сопротивления и сопротивлений заземлителей на электростанциях и в электроэнергетических системах. Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации.

1 Разработаны методы, позволяющие определять влажность грунта. Первый для глубин до 1м в зависимости от климатических условий с погрешностью не выше 50%, а второй - от 1м до 15м - от уровня грунтовых вод с погрешностью не выше 20% для сухих и 10% для влажных грунтов. В отличие от известных, они основаны на использовании нечеткой логики.

2 Найдена зависимость температуры грунта от его глубины и времени года на основе данных метеостанций (погрешность расчета до 15%), но без использования коэффициента температуропроводности.

3 Разработан метод определения теплофизических характеристик грунта глубиной до 1м, позволяющий рассчитать его температуру по известным формулам с погрешностью до 10%. При его разработке впервые использована нечеткая логика.

4 Уточнена зависимость грунта от плотности.

5 На основе созданных методов разработаны алгоритмы и программа, дающие возможность определять грунта и сопротивления заземляющих устройств с погрешностью до 30% без трудоемких измерений температуры и влажности на глубине заземлителей.

6 Предполагается внедрение разработанной программы на электростанциях Экибастуза (ГРЭС-1 и ГРЭС-2), Павлодара, Ермаковской ГРЭС и на других предприятиях, например в ТОО «ДорРемСтрой ПВ». Внедрение этой программы позволит за счет освобождения персонала от трудоемких измерений удельного сопротивления грунта получить, например, в упомянутом ТОО годовой экономический эффект 309500 руб.

7 Рекомендуется применять следующие результаты работы:

а) для глубин грунта до 1м – методы определения влажности и температуры грунта.

б) для глубин от 1м до 15м – зависимости влажности от уровня грунтовых вод и зависимость температуры от глубины грунта и времени года;

в) зависимость грунта от его плотности;

г) программу для расчета удельного электрического сопротивления грунта и сопротивлений заземлителей.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК

  1. Исабекова Б.Б. Зависимость удельного сопротивления грунта от плотности / Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова, Д.С. Зайцев // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2009.- №5-6.- С. 138-141.
  2. Исабекова Б.Б. Расчет удельного сопротивления грунта с учетом колебаний его температуры/Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова, М.Я. Клецель// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. -2010.-№1-С.84-87.
  3. Исабекова Б.Б. Определение влажности грунта на глубине заземлителей / Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. - № 2-С. 352-355.
  4. Исабекова Б.Б. Определение температуры грунта на глубине заземлителей / М.Я. Клецель, Н. М. Зайцева, Б.Б. Исабекова // Электричество. – 2011.- №7.- С.19-24.

Статьи в российских и инновационных изданиях, материалы международных и региональных конференций

  1. Исабекова Б.Б. Разработка температурно-влажностной модели однородного грунта / Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова // Вестник ИНЕУ. Павлодар – 2008. – №1. – С45-53.
  2. Исабекова Б.Б. Моделирование годового колебания температуры вглубь грунта для расчета его электрического сопротивления / Исабекова Б.Б., Зайцева Н.М. // Труды XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» МКЭЭЭ-2008, Алушта, Крым – 2008. – С. 303
  3. Исабекова Б.Б. Разработка программной реализации для определения сопротивления заземлителя / Н. М. Зайцева, Б.Б. Исабекова // Всероссийская научно-техническая конференция «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность!» – 2008. – С. 48-52
  4. Исабекова Б.Б. Моделирование электрических характеристик простых заземлителей в зависимости от климатических условий / Н.М. Зайцева, Б.Б. Исабекова //Наука и техника Казахстана. – 2008. - №3. – С. 30-31.
  5. Исабекова Б.Б. Technique of determination of ground temperature at a depth of grounding conducter / N.M. Zaitseva, B.B. Isabekova, M.Y. Kletsel // 13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Еlectromaterials and Components ICEEE-2010 – 2010. – С. 51-52
  6. Исабекова Б.Б. Dependence of resistivity on density /N.M. Zaitseva, B.B. Isabekova, D.S. Zaitsev //13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Еlectromaterials and Components ICEEE-2010 – 2010.–С.52-53.

Личный вклад. В работах, опубликованных в соавторстве, диссертанту принадлежат: методы расчета влажности и температуры [3,6-10]; алгоритмы и программа для расчета грунта и сопротивлений заземлителей [2,4,5] на электрических станциях и в электроэнергетических системах. Зависимость грунта от его плотности [1] получена совместно с Н.М.Зайцевой и
Д.С. Зайцевым.

Подписано в печать 27.10.2011

Формат 60x84/16. Бумага офсетная.

Оперативный способ печати.

Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 290

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН»

644122, г. Омск, ул. Красный Путь, 30

тел. (3812) 24-70-79, 8-904-585-98-84

E-mail: pc_kan@mail.ru

Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97


Зайцева Н. М., Зайцев Д.С., Клецель М.Я. Зависимости удельного электрического сопротивления грунта от влажности и температуры //Электричество.- 2008. - №9. – С. 30-34.



 





<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.