Расчетная модель электрического сопротивления железобетонных фундаментов опор контактной сети

Монография [Текст] / А. В. Котельников, В. А. Кандаев / Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. - М., 2013. - 552 с.

References

1. Grodnev I. I., Sergeichuk K. Ia. Ekranirovanie apparatury i kabelei sviazi (Screening equipment and communication cables). Moscow: Radio i sviaz', 1960. 316 p.

2. Kotel'nikov A. V., Kandaev V. A. Bluzhdaiushchie toki i ekspluatatsionnyi kontrol' kor-rozionnogo sostoianiia podzemnykh sooruzhenii sistem elektrosnabzheniia zheleznodorozhnogo transporta: Monografiia (Stray currents and operational control of corrosion of underground structures of power supply systems of rail transport: Monograph). Moscow, 2013. 552 p.

УДК 621.316.993

И. А. Кремлев, Ю. В. Кондратьев, И. А. Терёхин

РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ФУНДАМЕНТОВ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ

В статье рассмотрен вопрос о возможности использования железобетонных фундаментов опор контактной сети в качестве заземлителей. Выполнен анализ влияния конструкции фундамента на сопротивление растеканию. Представлены результаты расчета сопротивления растеканию анкерного болта фундамента металлической опоры по предложенной формуле.

В последнее время руководство ОАО «РЖД» все чаще поднимает вопрос о постепенном внедрении на всей сети железных дорог опор контактной сети без непосредственного заземления на рельсовую цепь. Во многом такая позиция обусловлена положительным опытом эксплуатации «пилотных» участков с разземленными железобетонными опорами.

До недавнего времени, как правило, на всех реконструируемых и модернизируемых участках устанавливались железобетонные стойки в силу относительно низкой стоимости по сравнению с металлическими. Однако с 2006 по 2007 г. тенденция резкого увеличения стоимости железобетонных стоек опор контактной сети фактически сократила разницу, которая не послужила сдерживающим фактором применения металлических стоек на объектах новой электрификации и реконструкции контактной сети [1]. К тому же, проведенный технико-экономический анализ применения металлических стоек доказал их бесспорное преимущество по сравнению с железобетонными. В связи с этим департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» разработано техническое указание № К-04/07 от 01.06.2007 «О применении металлических опор при строительстве и реконструкции контактной сети», согласно которому в дальнейшем необходимо устанавливать только раздельные металлические опоры, а железобетонные применять только в крайних случаях.

В связи с этим возникает множество вопросов, требующих рассмотрения. В первую очередь к ним относится вопрос о способах разземления металлических опор от рельсов.

Для надежной работы существующих систем релейной защиты необходимо обеспечить достаточно низкое сопротивление цепи протекания токов короткого замыкания (КЗ), в которое входит, в том числе, сопротивление заземления опор контактной сети [2]. В связи с этим одним из важнейших вопросов при оценке возможности использования железобетонных фундаментов в качестве заземлителей является определение значения сопротивления растеканию тока железобетонного фундамента металлической опоры.

Условно конструкцию опоры можно разбить на две части:

- верхняя, включающая в себя стойку опоры;

- нижняя, состоящая из фундамента опоры.

Согласно рекомендациям работы [3] у металлических опор при включении в электрическую цепь можно принимать во внимание только фундаментальную часть опоры.

В настоящее время фундаменты для металлических опор изготавливаются в соответствии с проектом № 4182И «Железобетонные трехлучевые фундаменты и анкеры с заострением подземной части для опор контактной сети», на которые с помощью анкерных болтов, забетонированных в фундамент, закрепляются металлические опоры.

Конструкция фундаментов с анкерным креплением опор разделяется на верхнюю и нижнюю части. Верхняя прямоугольная часть армирована двумя горизонтальными и четырьмя вертикальными сетками. Нижняя часть армирована гнутыми сетками, объединенными в один пространственный каркас. Стальные арматурные стержни отделены от земли слоем бетона в 25 мм. В общем случае арматурная сетка не имеет электрического соединения (соприкосновения) с анкерными болтами.

На основании приведенной выше информации составлена электрическая схема замещения фундаментов металлических опор (рисунок 1).

Для определения значения электрического сопротивления фундамента принимается, что анкерный болт, не имеющий преднамеренного соединения с арматурными стержнями фундамента, можно представить в виде стержневого электрода, расположенного в структуре, имеющей горизонтальную неоднородность (рисунок 2).

Сопротивление растеканию такого электрода имеет

Рисунок 1 - Схема замещения фундамента металлической опоры

Рисунок 2 - Электрод в структуре с горизонтальной неоднородностью: 1 - металлический электрод; 2 - бетон; 3 - грунт

вид:

Л - Рб

Л1ф -

1п —

2п1 (

Р

2п1 Д 2п1 Д-

р • -1п4'

где I и ё - длина и диаметр электрода, м;

р - удельное сопротивление бетона, Ом • м;

Д - защитный слой бетона, м.

Металлические опорные стойки крепятся к фундаменту четырьмя анкерными болтами, которые не имеют металлического соединения с арматурой каркаса фундамента. Для более детального анализа необходимо рассмотреть влияние конструкции фундамента, в частности, толщины бетона на сопротивление растеканию.

В соответствии с конструкцией трехлучевого фундамента со скосом типа ТСА расстояние между анкерными болтами А составляет 500 мм, В = 300 мм (рисунок 3). Основные размеры защитного слоя бетона можно принять в соответствии с указаниями источника [4]. В соответствии с этими рекомендациями Пб = 170 мм. Анкерные болты в фундаменте на рисунке 3 отличаются от электрода (см. рисунок 2) тем, что слой бетона, защищающий анкерный болт, в действительности в разных направлениях имеет различную толщину. На рисунке 3 показаны четыре сектора; в пределах каждого из них защитный слой принят одинаковым по толщине. Толщина защитного слоя в каждом секторе обозначена Пб, Пб2, Пб3, Пб4.

66 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(18) 2014

- _ = Е Е

Рисунок 3 - Схема горизонтального разреза железобетонного фундамента типа ТСА

При стекании тока с анкерного болта каждый сектор будет иметь различное сопротивление растеканию, равное соответственно Rб, Rб2, Rб3, Rб4. Общее сопротивление фундаментального болта, имеющего неравномерный защитный слой бетона, определяется по формуле:

Я

Я ' Яб2 ' Яб3 ' Я

Я • Яб2 • Яб3 + Я • Яб2 • Яб4 + Я • ^3 • ^54 + ^52 ' ^53 ' Я

где

. , рб , 4/ рб 4/ р 4/ 2 л/ й 2 л/ Д 2 л/ Дб

^ = 4 • (-Нб б _.£б б + _Р_ б);

2л/ й 2л/ Д~ 2л/ Д,.

б2

б2

. , рб 4/ рб 4/ р 4/ Я = 4 • (-!-Мп---— 1п-+ 1п-);

2 л/ й 2 л/ Д, 2 л/ О

^4

4 • (-Вб __Вб 1п

'б3

4/

'б3

+

р 1п-^).

2л/ й 2л/ Д, 2л/ Д

б4 б4

Расчет общего сопротивления фундаментного болта (Я1ф ) по формуле (2) более правильно отражает физический процесс стекания тока с болта, чем при расчете по выражению (1), однако этот расчет более трудоемок.

№ 2(18) 2014

4

4

Для оценки влияния несимметричности слоя бетона на сопротивление растеканию анкерного болта сравним результаты, полученные по расчетным формулам (1) и (2) для различных значений удельного сопротивления земли (р). Результаты сравнения сопротивлений, полученных по формулам (1) и (2), сведены в таблицу. В расчетах удельное сопротивление бетона р принималось равным 300 Ом-м, глубина заложения анкерного болта I = 0,7 м

при диаметре ( = 0,036 м.

Результат расчета сопротивления растеканию анкерного болта фундамента металлической опоры

Показатель Удельное сопротивление земли р, Ом

50 100 200 400 500 1000 2000

Сопротивление растеканию анкерного болта Лф, вычисленное по формуле (1), Ом / сопротивление растеканию фундамента, Ом 138 / 35 170 / 43 233 / 58 361 / 90 425 / 106 743 / 186 1381 / 345

Сопротивление растеканию анкерного болта Лф, рассчитанное по формуле (2), Ом / сопротивление растеканию фундамента, Ом 272 / 68 277 / 69 287 / 72 307 / 77 316 / 79 363 / 91 452 / 113

Расхождение в результатах ±8, % -97,6 -63,4 -23,1 +15,0 +25,5 +51,1 +67,2

Анализ данных показывает, что сопротивление растеканию анкерного болта, рассчитываемое по формуле (1), значительно увеличивается при повышении удельного сопротивления земли, что связано с относительно небольшой толщиной защитного слоя бетона. Сопротивление растеканию анкерного болта, рассчитываемое по формуле (2), в меньшей степени зависит от сопротивления земли в связи с учетом четырех секторов, имеющих различную толщину. В трех из четырех секторов она больше, чем толщина защитного слоя анкерного болта, представленного в виде электрода (выражение (1)).

Для удельного сопротивления земли р < 200 Ом-м расхождение результатов превышает 23,1 %, а при р > 500 Ом-м превышает 25,5 %. Таким образом, пренебрежение несимметричностью слоя бетона приводит к возрастанию погрешности расчета в меньшую сторону, что на практике может привести к отказу защиты от замыканий на разземленные опоры. Поэтому в данном диапазоне удельных сопротивлений сопротивление растеканию анкерных болтов необходимо рассчитывать по формуле (2). В пределах 200 < р < 500 Ом-м расхождение результатов составляет на более 25 %, что находится в пределах погрешности при определении р. Поэтому в данных пределах р можно воспользоваться формулой (1).

Для различных значений удельного сопротивления р по формуле (2) проведены расчеты сопротивления растеканию железобетонного фундамента ТСА. Результаты расчета приведены на рисунке 4.

Анализируя формулы (2) - (6) и рисунок 4, можно отметить, что переходное сопротивление опоры определяется в основном двумя параметрами - удельными сопротивлениями грунта и бетона. Первое во многом определяется погодными и сезонными условиями, а второе - состоянием бетона.

Для окончательной оценки возможного использования железобетонных фундаментов опор контактной сети в качестве заземлителей необходимо подробнее рассмотреть вопросы, связанные с изменением свойств бетона и грунта при различных токах КЗ, а также возможность преднамеренного соединения анкерных болтов с арматурой каркаса фундамента для уменьшения сопротивления растеканию и увеличения чувствительности релейной защиты.

R

Ом

140

120 100 80 60 40 20

/

Ф

— . — • - • ** *

— - . — — --- — p6 = 300 Ом i

_ nc = 400 Ом = 500 Ом

-p6

50 100 200 400 500 Ом М 2000

Р

Рисунок 4 - Сопротивление растеканию тока железобетонного фундамента ТСА

Список литературы

1. Кондратьев, Ю. В. Современное состояние и перспективы развития опорного хозяйства железных дорог в РФ [Текст] / Ю. В. Кондратьев, И. А. Кремлев, И. А. Терёхин // XXVI междунар. заочная науч.-практ. конф. «Технические науки - от теории к практике» / НП «СибАК». - Новосибирск, 2014. - № 2. - С. 53 - 58.

2. Дынькин, Б. Е. Защита тяговых сетей переменного тока при разземлении опор контактной сети: Монография [Текст] / Б. Е. Дынькин //Дальневосточнй гос. ун-т путей сообщения. - Хабаровск, 1999. - 170 с.

3. Селедцов, Э. П. Эксплуатация опор контактной сети [Текст] / Э. П. Селедцов, Е. А. Баранов. - М.: Транспорт, 1977.- 104 с.

4. Рабочие чертежи № 4182И «Железобетонные трехлучевые фундаменты и анкеры с заострением подземной части для опор контактной сети» [Текст] / Департамент электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД». - М., 2005.

References

1. Kondratyev Yu. V., Kremlev I. A., Terekhin I. A. Current state and prospects of development of the reference economy railways in Russia [Sovremennoe sostoianie i perspektivy razvitiia opornogo khoziaistva zheleznykh dorog v RF]. Tekhnichskie nauki - ot teorii k praktike - Engineering - From Theory to Practice, 2014, no. 2, pp. 53 - 58.

2. Dyn'kin B. E. Zashchita tiagovykh setei peremennogo toka pri razzemlenii opor kontaktnoi seti (Traction network protection with AC catenary poles not grounded). Khabarovsk, 1999, 170 p.

3. Seledtsov E. P., Baranov E. A. Ekspluatatsiia opor kontaktnoi seti (Operation support of a contact network). Moscow: Transport, 1977, 104 p.

4. Rabochie chertezhi № 4182I «Zhelezobetonnye trekhluchevye fundamenty i ankery s za-ostreniem podzemnoi chasti dlia opor kontaktnoi seti». Utverzhdeny Departamentom elektrifikatsii i elektrosnabzheniia OAO «RZhD» prikazom ot 05.10.2005, № 61 (Working drawings number 4182I «Reinforced concrete foundations and anchors three-prong with a sharpened underground part for support of a contact network» Approved by the Department of electrification and power supply JSC "Russian Railways", the order dated 05.10.2005, № 61). Moscow, 2005.

№ 2(18) 2014