№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.316.9
© 2008 г. КОБЫЛИН В.П., СЕДАЛИЩЕВ В.А., ЛИ-ФИР-СУ Р.П., ВАСИЛЬЕВ П.Ф.
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАСТЕКАНИЮ ТОКА В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
Заложение заземлителя в проводящем слое-талике обеспечивает снижение сопротивления заземления на три порядка по сравнению с заложением такого же заземлителя в многолетнемерзлом грунте. Предложен метод заложения заземлений в широко распространенные природные проводящие образования в многолетнемерз-лых грунтах, проведены исследования поведения заземляющих устройств, помещенных в деятельный слой в комплексе с электроподогревом в виде электродов-заземли-телей коаксиальной конструкции. Рассмотрено тепловое взаимодействие скважины, обогреваемой нагревателем, с окружающими многолетнемерзлыми породами. Для математического моделирования данного процесса сформулирована осесимметрич-ная задача теплопроводности с учетом фазового перехода влаги, насыщающей грунт, т.е. его протаивания за счет действия нагревателя в скважине.
В северных регионах России в условиях многолетнемерзлых грунтов выполнение заземляющих устройств в соответствии с требованиями Правил устройств электроустановок связано с дополнительными трудностями, что обусловливает высокие затраты на сооружение заземляющих устройств подстанций, составляющие 30-35% сметной стоимости объекта. Снижение капиталовложений за счет рациональных конструкций заземлителей и методов их выполнения является актуальной задачей [1-5].
Для снижения сопротивления заземлителей в многолетнемерзлых грунтах, имеющих удельное электрическое сопротивление от 500 до 10000 Ом ■ м, обычно рекомендуют следующие способы: применение глубинных заземлителей; специальная обработка грунта; устройство заземлителей в деятельном слое; вынос заземлителей в по-дозерный или подрусловый талики.
Разница в электропроводности мерзлых и талых грунтов проявляется наличием фазовых переходов воды в зависимости от температуры грунта. Следовательно, температура грунтов определяет изменение удельного сопротивления мерзлых пород.
Предложен метод заложения заземлений в широко распространенные природные проводящие образования в многолетнемерзлых грунтах. К ним относятся надмерзлот-ные, межмерзлотные талики и подземные воды, слои легких пылеватых суглинков, которые при малых отрицательных температурах могут иметь низкое удельное электрическое сопротивление.
Экспериментальные работы по натурному изучению электрических свойств многолетнемерзлых пород на радиочастотах показывают, что на территории Якутии часто встречаются зоны и участки с повышенной проводимостью земли. Этот эффект объясняется присутствием тонких проводящих слоев в геоэлектрическом разрезе.
Экспресс-зондирование оперативно обнаруживает проводящий слой или талик, оценивает глубину его залегания и удельное электрическое сопротивление, а методика и аппаратура измерений поверхностного импеданса обеспечивает их проведение бесконтактным способом в любое время года при температурах окружающего воздуха до -40°С.
Оценочные расчеты показывают, что заложение заземлителя в проводящем слое-талике обеспечивает снижение сопротивления заземления на три порядка по сравнению с заложением такого же заземлителя в многолетнемерзлом грунте. Стоимость такого заземления соизмерима с затратами на выполнение заземления в близко расположенном водоеме.
Один из способов уменьшения сезонного изменения сопротивления заземления в условиях многолетнемерзлых грунтов состоит в сохранении части, вмещающей зазем-лители среды в талом состоянии в зимний период времени. В этом случае сезонные изменения сопротивления заземления будут определяться сезонным изменением объема таликовой зоны, которая сохранится к началу сезонного протаивания. Сохранением или искусственным созданием таликовых зон в мерзлых породах и их электропроводностью можно эффективно управлять с помощью электроподогрева.
Авторами предложен метод и проведены исследования поведения заземляющих устройств, вмещенных в деятельный слой в комплексе с электроподогревом в виде электродов-заземлителей коаксиальной конструкции. Коаксиальные нагреватели представляют собой два цилиндрических проводника, соединенных последовательно так, что один проводник по всей длине находится соосно внутри другого, образуя цилиндрический бифиляр.
При незначительном зазоре между смежными цилиндрическими поверхностями в проводниках при протекании тока возникает эффект близости (скинэффект) встречно направленных токов.
Исходя из требований техники безопасности, напряжение питания коаксиального нагревателя принято 12 В. Сопротивление нагревателя в среднем составляло 0,02 Ом.
Сопротивление растеканию тока коаксиального электрода, измеренное при отсутствии подогрева и максимальном промерзании грунта в среднем составляет 987 Ом. Удельное сопротивление земли при этих условиях - 12 ■ 105 Ом ■ м.
Рассмотрим тепловое взаимодействие скважины, обогреваемой нагревателем, с окружающими многолетнемерзлыми породами и теплофизическими характеристиками: р - объемный вес, кг/м3; с1, с2, Х2 - соответственно, теплоемкость и коэффициенты теплопроводности талого и мерзлого грунтов в ккал/кг ■ град и ккал/м ■ ч ■ град; w - количество льда в 1 м3 породы, кг; Т - естественная температура грунта, град; I -скрытая теплота плавления льда, равная 80 ккал/кг.
Предположим, что скважина радиусом г0 обогревается нагревателем, имеющим удельное тепловыделение q.
Для математического моделирования данного процесса сформулируем осесиммет-ричную задачу теплопроводности с учетом фазового перехода влаги, насыщающей грунт, т.е. его протаивания за счет действия нагревателя в скважине. Запишем в безразмерном виде основные уравнения и соответствующие начальные и граничные условия.
Для талой зоны
дТ 1 д ( дТл
—± = у1^ (г----1, 1 < г < 5 (г); (1)
дг гдг( дг ) у '
Т1 (г) = 0; (2)
-д---Т----1-
--д----г---
= q. (3)
г = 1
Для мерзлой зоны дТ2 1 д (дТг
-=---I г --г-2, 5 (г )< г <с~; (4)
дг гдг( дг )
T2 (r, 0) = Tf ; (5)
T2(г, t) = 0. (6)
На границе протаивания ставится условие Стефана „ ЭТ, ЭТ2 d г 1 Э r 2 Э r d t
и условие равенства температур на этой границе температуре фазового перехода, что выражается граничными условиями (2) и (6). Здесь приняты следующие обозначения:
„ Ti „ Tf r t X2 г Ti = T~' Tf = Tr~, r = —, t = — , г = —,
T 0 T 0 rw rw rw
h л ^iT0 q • i о
X = —-, Л,- = -■„ q = -■=-, i = 1, 2,
X2 ' X2 P2 ЯЙЛ1T0
где индексы 1 - талая зона, 2 - мерзлая зона. Переменные с чертой - размерные значения температуры, радиальной координаты, отсчитываемой от оси скважины, времени, координаты фронта фазового перехода, коэффициента теплопроводности грунта и мощности нагревателя.
В соответствии с методом интегрального теплового баланса введем радиус теплового влияния R(t), который определяется из соотношений
T = Tf, ^ = 0 при r = R ( t). (8)
1 dr
Условия (8) заменяют собой начальное условие (5) и условие ограниченности решения на бесконечности. Вспомогательная переменная R(t) определяется из интеграла теплового баланса, который выводится путем интегрирования дифференциального уравнения (4) и имеет вид
R ( t) -)Т
d r dR dT2
-d- f rT2(r, t)dr = TfRdR-г-=-■
dt J 2 f d t d r
г (t )
. (9)
r = s( t)
В результате сравнительно простых, но громоздких вычислений для определения безразмерного радиуса протаивания получаем систему двух обыкновенных дифференциальных уравнений следующего вида
т = — + ■■ - -—--и = Я/&;
& & & (и 1п и + 1 - и)
3 (10)
йЯ 1 |~1/ 1 -1 ч й & ( и и , 1У| — = -■-- (и 1п и +1- и) - — — + - - и 1п и - - .
й (1пи/6)(и + и + 1) + 0,25( 1- и )1& ™ V12 4
Для ее однозначного решения необходимо задать начальные условия &( 0) = 1, Я( 0) = Ят, (11)
где начальное значение радиуса влияния определяется решением следующего трансцендентного уравнения
Ят 1П Ят/Ят -1 = 1 - ( Т}/?) . (12)
5
60
40
20
0
2
4
6 г • 10-3 0
2
4
6 г • 10-3
Динамика изменения радиуса зоны талого грунта при включенном (0 < г < 4000) и выключенном (4000 < < г < 8000) нагревательном устройстве. Цифры под кривыми - начальная температур грунта и его влаж-
Второе условие в (11) означает, что протаивание мерзлого грунта начнется через некоторое время после включения нагревателя, за которое радиус теплового влияния увеличится до величины Ят.
Математическая модель (10)—(11) может быть использована не только для расчетов протаивания при работе нагревательного устройства, но и смерзания грунта при его отключении.
Расчеты выполнялись для двух типов грунта
1) р = 1600, = 1,30, = 1,65, с1 = 650, с2 = 485, х2 = Х2/е2 = 3,71 • 10-3;
2) р = 1800, = 1,51, Х2 = 1,95, с = 740, с2 = 500, х2 = 3,38 • 10-3.
Было установлено, что для этих двух типов грунта различия в величинах радиуса протаивания не превышают 1%, поэтому все дальнейшие вычисления проводились только для грунта второго типа.
На графиках приведены результаты вычислений динамики радиуса протаивания при включенном (а) и выключенном (б) нагревателе. Здесь величина радиуса протаивания отнесена к радиусу скважины. Нижние кривые относятся к случаю, когда влажность грунта составляла 0,35, верхние - для влажности 0,20. Анализ графиков на этих рисунках позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, в полном соответствии с физикой процесса скорость протаивания существенно зависит от влажности грунта, окружающего нагревательное устройство (для сравнения см. кривые изменений радиуса протаивания на графиках). Во-вторых, величина протаивания слабо зависит от начальной температуры грунта. Это объясняется сравнительно большой мощностью нагревателя, что приводит к большим градиентам температуры в зоне талого грунта по сравнению с зоной мерзлого грунта, это значит, что начальная температура грунта будет мало влиять на скорость движения границы протаивания. В-третьих, скорость протаивания существенно выше скорости смерзания. Таким образом, для обеспечения нормируемого сопротивления заземляющего устройства в переходный период из мерзлого состояния грунта в талое, достаточно одноразового включения электронагрева.
Включение электродов в сеть и нагре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.