 |
ГАММА-СЪЕМКА
НОВЫЙ МЕТОД
ОЦЕНКИ КОРРОЗИОННЫХ СВОЙСТВ ГРУНТА НА ТРАССАХ ВЛ
Одной из главных задач при проектировании, строительстве и реконструкции воздушных линий электропередачи является определение структуры слоев грунта и их электрического сопротивления. На основании этих данных рассчитываются параметры заземляющих устройств. Традиционными считаются геодезические изыскания, основанные на методах зондирования грунта у каждой опоры ВЛ.
На Второй Российской конференции по заземляющим устройствам учеными из Новосибирска предложен новый способ оценки параметров грунта на трассах ВЛ, основанный на использовании дистанционного метода диагностики.
Александр Тарасов,
директор
НПП «Электрокорр», г. Новосибирск
Василий Цилько,
заведующий лабораториями электротехнического материаловедения, НГТУ, г. Новосибирск
В последнее время в электроэнергетике всё большее распространение получают методы дистанционного контроля состояния оборудования. Условно можно выделить два основных направления:
- «пообъектная» диагностика, подразумевающая контроль параметров конкретного объекта, по которым судят о состоянии последнего. Примером может служить наземный тепловизионный контроль. Однако «пообъектный» метод диагностики эффективен для групп электроустановок с разнотипным оборудованием (распределительные или трансформаторные подстанции);
- «системная» диагностика, которая может стать наиболее эффективным способом для обследования рассредоточенных объектов, например, воздушных линий (ВЛ). Используя этот метод, можно оценить состояние всех одинаковых объектов электрической сети, выделить среди них наименее надежные в качестве первоочередных объектов модернизации. Наиболее перспективным направлением «системной» диагностики представляется аэроинспекция объектов посредством специализированной лаборатории на базе летательного аппарата. К примеру, созданные за рубежом системы тепловизионного контроля «Termovision» и локализации коронирующих дефектов «Коrопа – F 553» обеспечивают при вертолетных облетах ВЛ выявление 80–90% всех дефектов проводов, арматуры и подвесной изоляции.
Сложнее обстоят дела с диагностикой состояния подземных конструкций опор ЛЭП, которое во многом зависит от электрического удельного сопротивления грунта. Для определения коррозионных характеристик грунта на существующих и проектируемых трассах ВЛ научно-производственным предприятием «Электрокорр» cовместно с Западно-Сибирским Гидрометеоцентром при метрологической поддержке НПО «Тайфун» была разработана методика аэросъемки естественного гамма-фона земли по трассам линий электропередачи. Ниже описываются основные принципы, использованные при работе над методикой.
МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ГРУНТА
Электропроводность грунта в общем случае [1] выражается формулой:
sг = sэл +sос , (1)
где sэл – электролитическая составляющая электропроводности грунта, См;
sос – осмотическая составляющая электропроводности грунта, См;
Для песков sг sэл ; для глин sгsос.
По различной структуре грунта, зависящей от процентного содержания глинистых частиц, различают пески, супеси, суглинки и глины. Электропроводность песков и глин принципиально различается благодаря способности глинистых частиц адсорбировать на себе ионы грунтового электролита. Поэтому принято считать, что электропроводность песков обеспечивается в основном электролитической составляющей, а глин – осмотической.
sэл = (2kw /3 – kw )• sв , (2)
где sв – электропроводность влаги в порах грунта, См;
kw – количество влаги в грунте в относительных объемных единицах.
Значение sв тем меньше, чем больше засолен грунт. Объемная доля влаги в грунте kw связана с весовой влажностью грунта W соотношением:
kw = W • dn / (dВ • (100 + W )),
когда W = Pв /Pсг •100%,
где Pв – масса влаги в 0,1 кг грунта, кг;
Pсг – масса высушенного образца грунта, кг;
dn – объемная плотность грунта при влажности W, кг/м3;
dВ – плотность влаги, кг/м3.
Электроосмотическая составляющая электропроводности зависит от нескольких факторов. Плотность тока, обеспечиваемая электроосмотической составляющей iос, равна:
iос = Qуд• Sуд• dn • V, (3)
где Qуд – заряд диффузной части двойного слоя на единице поверхности частиц грунта, Кл/м2;
Sуд – поверхность частиц грунта, составляющих единицу его массы, м2/кг;
V – скорость движения заряда, м/с.
Полагая V пропорциональной скорости электроосмоса, что экспериментально доказано для 0,25 < kw < 0,8, найдем:
V = (m • kз /kw) • Е ,
где m и kз – коэффициенты пропорциональности;
Е – напряженность электрического поля, В/м.
С учетом того, что sос = iос /E, получим:
sос = m • kз • Qуд • Sуд • dn / kw . (4)
Из выражений (2) и (4) следует, что электропроводность любого типа грунта зависит прежде всего от его структуры, которая учитывается коэффициентом влажности (для песков) или объемной плотностью грунта при естественной влажности (для глин), и от количественного содержания грунтовой влаги.
УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИРОДНЫХ СРЕД
Удельное сопротивление природных сред, зависящее в естественных условиях от множества факторов, может колебаться в широких пределах (табл.1). Кажущиеся на первый взгляд одинаковыми ландшафты при измерениях показывают различное удельное сопротивление. Это объясняется либо разной влажностью, либо разной пористостью, либо разной плотностью прилегания частиц твердой фазы грунтов друг к другу.
При этом, как следует из табл. 2 и 3, удельное электрическое сопротивление почвогрунта определяется в основном количественным содержанием в нем грунтовой влаги, так как само по себе сопротивление природных вод изменяется в гораздо меньших пределах, чем сопротивление твердой фазы.
Максимальные значения сопротивления грунтов определяются сопротивлением твердой фазы исследуемого грунта в сухом состоянии.
Несмотря на то, что удельное сопротивление грунта даже на территории расположения одной опоры может иметь некоторую вариацию, избежать усреднения этой величины в пределах некоторой пространственной зоны вокруг опоры не удастся. В течение года, в связи с изменением атмосферных условий, меняется содержание влаги в грунте, насыщенность его различных слоев, температура грунта и физическое состояние влаги.
Удельное сопротивление грунта, зависящее от всех этих факторов, также меняется в течение года в широких пределах, приводя к изменению сопротивления заземления опор. Характерный годовой ход изменения сопротивления лучевого заземлителя опоры ВЛ, расположенного на глубине 0,3 м в суглинистом грунте средней влажности, представлен на рис. 1.
ЕСТЕСТВЕННОЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ ЗЕМЛИ
И ГРУНТОВАЯ ВЛАГА
Основной закон радиоактивности выражается дифференциальным уравнением:
dN/dt = lN,
где N – наличное число ядер;
t – время;
l – так называемая постоянная распада (постоянная радиоактивности).
Это уравнение отражает независимость распада отдельного ядра от распада остальных ядер или то, что процесс распада идет не с поверхности вещества, а из его объема.
Интегральная форма основного закона имеет вид:
Nt = N0• e-l·t,
где N0 – исходное число ядер;
Nt – число ядер, не распавшихся к моменту времени t.
Значение l связано с периодом полураспада T1/2 (время, в течение которого число ядер уменьшается в результате распада вдвое) соотношением [2, 3]:
lТ1/2 = ln2 = 0,692.
Гамма-излучение – электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны, менее 0,1 нм, испускаемое возбужденными атомными ядрами при радиоактивных превращениях и ядерных реакциях, а также возникающее при торможении заряженных частиц, их распаде, при аннигиляции и т.д. Гамма-излучение принято рассматривать как поток частиц – гамма-квантов, а не электромагнитных волн, так как волновые свойства заметно проявляются лишь у самого длинноволнового гамма-излучения. Корпускулярные же свойства гамма-излучения выражены более отчетливо [4].
Из числа природных радиоактивных элементов лишь уран (U, z = 92)
и торий (Th, z = 90) имеют радиоактивные изотопы, период полураспада которых соизмерим со временем существования Земли
{U238(Т1/2 = 4,51•109 лет), U235(Т1/2 =7,13•108лет), Th232 (Т1/2 =1,41•1010лет)}. Поэтому только уран и торий являются первичными радиоактивными элементами, сохранившимися на Земле с начала ее существования. Все остальные природные радиоактивные элементы называются вторичными и существуют потому, что запас их непрерывно пополняется за счет распада других долгоживущих радиоактивных изотопов [4].
Радиоактивные элементы распределены неравномерно по территории Земли. «Вероятно, не существует земного вещества, в котором не было бы урана и тория и их продуктов разложения, – писал В.И. Вернадский [5]. – Уран находится во всех земных породах, в большем количестве в кислых породах, в меньшем – в основных».
Согласно [6] (новые данные существенно не изменяют порядок значений этих чисел), содержание урана в различных породах представлено в таблице 4.
Концентрация радиоактивных элементов рядов U, Th, K убывает с глубиной, то есть они располагаются только в верхнем слое земли толщиной порядка 33 км. Радон в природе следует за миграцией газов, а радий – за миграцией вод. Разные горные породы имеют разную радиоактивность, которая отчетливо проявляется в их тепловом эффекте (табл. 5).
Таким образом, приведенные факты указывают, что с помощью исследования естественной радиоактивности земли можно получить информацию как о структуре, так и о влажности грунта в интересующем нас слое земной поверхности. Как было показано выше, эта же информация необходима для оценки электропроводности грунта.
ПРИНЦИПЫ ГАММА-МЕТОДА
На основании результатов измерения интенсивности гамма-фона можно оценить степень влажности грунта, которая непосредственно определяет его удельное сопротивление. Изучение спектра гамма-излучения может позволить получать дополнительную информацию как о типе грунта, так и о его влажности и минерализации в интересующем нас слое.
В основе гамма-метода контроля структуры и влажности почво-грунтов лежат следующие физические эффекты и явления:
- установлено, что радиоактивные элементы в почвогрунтах связаны с глинами. Чем выше процент содержания физической глины, тем интенсивнее идет поток гамма-квантов (при прочих равных условиях). Физический песок (кварцевый) практически не излучает гамма-квантов. По соотношению глины и песка в сухих грунтах можно выделить их градации: пески, супеси, суглинки, глины;
- вторым важнейшим фактором, влияющим на поток гамма-квантов, является влажность почвогрунтов. Так, слой воды толщиной 1 метр практически полностью перекрывает поток гамма-квантов, идущих от естественных элементов;
- содержание урана в почвах колеблется от 0,1•10-4 % до 10,0 •10-4 %, тория – от 1,0•10-4 % до 20,0•10-4 %, калия – от 0,1 до 4%.
Эти элементы создают в приземной атмосфере гамма-излучение, интенсивность которого I на высоте h над поверхностью грунта однозначно зависит от относительной влажности грунта W и запаса воды на его поверхности р. Эта зависимость описывается выражением [7]:
I = I0 • exp(–aP – ah/k1)/ 1 + kW, (5)
где I0 = I (P = 0; h = 0; W = 0) – величина, определяемая концентрациями радиоактивных элементов в грунте;
P и h выражаются в г/см2;
k1 и k – коэффициенты, отражающие различие поглощающих свойств почвы, воды и воздуха;
a – коэффициент, зависящий от спектрально-угловых характеристик раcсматриваемого излучения.
В [2] говорится, что гамма-излучение пропорционально весовой концентрации радиоактивных веществ в излучающем-поглощающем полупространстве, каким можно считать грунт. Грунтовая влага – неактивный разбавитель естественных радиоактивных веществ (урана, тория, калия), содержащихся в твердых частицах грунта. Поэтому интенсивность гамма-излучения над грунтом связана с влажностью следующим выражением:
I = I0 /(1 + kW), (6)
где I0 – то же над сухим грунтом;
W – относительная весовая влажность грунта;
k – отношение коэффициентов поглощения гамма-излучения в воде и сухом грунте (k = 1,11);
эквивалентные коэффициенты поглощения излучений урана, тория и калия практически одинаковы и могут быть заменены средним значением, применяемым для изучения смеси естественных радиоактивных элементов.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
В настоящее время существует и используется специальная аппаратура авиационной гамма-съемки «Снег-2», регистрирующая поток гамма-квантов, возникающий в естественных почвогрунтах. В работе [8] приводится информация о положительных результатах использования подобной аппаратуры для оценки коррозионного состояния анкерных конструкций оттяжек опор магистральных ВЛ в условиях Тюменского региона. Уже проведено сравнение результатов, полученных при традиционной диагностике и при использовании гамма-съемки, – точность обоих методов практически одинакова, однако финансовая выгода при использовании гамма-съемки совершенно очевидна. Сейчас ведется работа над модернизацией аппаратуры для гамма-съемки с целью добиться еще более точных измерений.
Литература
1. Целебровский Ю. В. Заземляющие устройства электроустановок высокого напряжения: Учеб. пособие / Новосибирский электротехнический институт. – Новосибирск, 1987. – 78 с.
2. Трифонов Д.Н., Кривомазов А.Н., Лисневский Ю.И. Учение о радиоактивности. История и современность. – М., 1973. – 78 с.
3. Химия. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. И.Л.Кнунянц. – 2-е изд. – Большая Российская энциклопедия, 1998. – 792 с.
4. Политехнический словарь / Ред. кол. А.Ю. Ишлинский (гл. ред.) и др. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Советская энциклопедия, 1989. – 656 с.
5. Вернадский В.И. Очерки геохимии. – 2-е русское издание. – Горгеонефтеиздат. – М., Л., Грозный, Новосибирск, 1934. – 380 с.
6. A. Holmes, «Geolog. Magaz.», 6, 2, 63, L., 1915.
7. Гамма-съемка запасов воды в почве и на ее поверхности // Труды института экспериментальной метеорологии. Серия «Гидрология» / Под ред. М. В. Никифорова и А. Н. Пегоева – 1974. – Выпуск 1(35). – 150 с.
8. Корелин Н.Н., Мальцев А.С., Тарасов А.Г. О применении авиационной гамма-съемки для обследования подземных конструкций опор ЛЭП в труднопроходимых условиях Тюменской области // Научно-практический журнал «Энергетика Тюменского региона». – 2001, декабрь. – № 4(14). – С. 18–21.
| 
|
