Электрокоррозия подземных сетей блуждающими токами

ЭЛЕКТРОКОРРОЗИЯ ПОДЗЕМНЫХ СЕТЕЙ БЛУЖДАЮЩИМИ ТОКАМИ

Подземные электрические кабели с металлическими оболочками в межцеховых сетях, а также другие металлические подземные сооружения на территориях промышленных предприятий (трубопроводы различного назначения, емкости жидких продуктов и топлива, арматура железобетонных подземных конструкций и фундаментов и т. д.) подвергаются почвенной коррозии и электрокоррозии блуждающими токами.
Почвенная электрокоррозия обусловлена тем, что в грунте имеются растворы солей, кислот и щелочей, т. е. электролиты, которые образуют гальванические пары при взаимодействии с металлом подземных сооружений. В силу неоднородности грунта э. д. с. гальванических пар неодинаковы и их разность вызывает уравнительные токи, проходящие по отдельным участкам подземных сооружений и замыкающиеся по соответствующим участкам грунта.
В местах выхода тока из металла в грунт, т. е. там, где находится анодная зона подземного сооружения, происходит разъедание металла — перенос его частичек в грунт.
Явление коррозии подземных сооружений блуждающими токами отличается тем, что проходящие при этом токи в подземных сооружениях и грунте генерируются внешними источниками, которыми являются рельсовые электрические дороги постоянного тока различного назначения (внутризаводской электрический транспорт, подъездные промышленные ветки, магистральные и пригородные электрические дороги, трамвай, метрополитен). Количественно возможный коррозионный эффект от блуждающих токов обычно намного превосходит эффект возможной почвенной электрокоррозии в сопоставимых условиях.
Упрощенная картина поля блуждающих токов рельсовой электрической дороги постоянного тока показана на рис. 12-7. Система подвода тока к электропоезду состоит из контактного провода и рельсов. Последние не изолированы от земли, вследствие чего часть тока ответвляется из рельсов в землю и возвращается затем в рельсы в зоне отсасывающего пункта. Эта часть тяговых токов (токи утечки из рельсов) и называются блуждающими токами.

Рис. 12-7. Упрощенная картина распространения блуждающих токов вдоль электрической железной дороги и параллельно проложенного металлического подъемного сооружения (а) и поперечный разрез на том же участке по I—I (б).
1 — преобразовательная подстанции; 2 — питающая линия; 3 — контактный провод; 4 — рельсы; 5 — отсасывающий пункт; 6 — отсасывающая линия; 7 — подземное сооружение (трубопровод, кабель); 8 — воображаемые линии блуждающих токов в земле; 9 — шпалы; 10 — балласт; 11 — грунт.На своем пути в грунте блуждающие токи частично заходят в металлические подземные сооружения. В зонах входа блуждающих токов подземные сооружения имеют отрицательный потенциал относительного грунта. Эти зоны называются катодными. В других зонах блуждающие токи покидают подземное сооружение, выходя в грунт, так как они должны вернуться в рельсы. Эти зоны называются анодными, как и в случае почвенной электрокоррозии. В них происходит электрокоррозия металла подземного сооружения блуждающими токами, в процессе которой, как известно, количество металла, выносимого из сооружения в грунт, пропорционально проходящим в сооружении блуждающим токам и времени их действия, т. е. количеству электричества, переходящему из сооружения в грунт. Так, например, 1 А постоянного тока за год разъедает в среднем грунте около 10 кг стали или приблизительно 35 кг свинца.

Проходящие в неразветвленном подземном сооружении блуждающие токи определяются количеством блуждающих токов в грунте, переходным сопротивлением между грунтом и сооружением и продольным сопротивлением сооружения. Количество же блуждающих токов в грунте зависит от тока в рельсах электрической дороги, протяженности различных участков схемы рельсовой сети, продольного сопротивления рельсов и переходного сопротивления между рельсами и грунтом. Сопутствующим показателем, косвенно характеризующим блуждающие токи (токи утечки из рельсов в землю), является потенциал рельсов относительно земли. Аналогичный показатель используется в качестве характеристики условий на подземных сооружениях, где он является особенно наглядным. Будучи представлен графически в виде так называемых потенциальных диаграмм, он сразу показывает размещение анодных зон на сооружении и дает первое приближенное представление о возможной интенсивности коррозионных процессов.
Аналитические зависимости потенциалов и токов для реальных схем рельсовых сетей и сетей подземных сооружений с учетом перемещения тяговых нагрузок поездов в пространстве весьма сложны и громоздки и являются предметом рассмотрения специальной литературы. Для получения же понятия о влиянии на эти зависимости главнейших упомянутых выше факторов приведем в качестве примера расчетные формулы для тока и потенциалов рельсов в схеме на рис. 12-7 при условии , т. е. для самого простейшего случая: где — потенциал рельсов относительно земли в точке на расстоянии х от отсасывающего пункта; — ток в рельсах в той же точке; — ток в цепи электровоза; — сопротивление рельсов на единицу длины; — переходное сопротивление рельсы — грунт на единицу длины
Блуждающий ток в земле через сечение, перпендикулярное оси рельсовой сети в точке с координатой х, Несложный анализ этого выражения показывает, что наибольшее значение (экстремум) блуждающего тока соответствует значению и определяется формулой Аргумент во многих реальных случаях принимает значения в пределах до 0,2. При этом график гиперболического косинуса весьма мало отличается от параболы. Если на этом основании числитель формулы (12-16) рассматривать как стрелу прогиба параболы, а относительно малым отличием от единицы знаменателя,
т. е. в первом приближении пренебречь, то получим: или Последнее соотношение наглядно показывает, какими путями можно ограничивать выход блуждающих токов из рельсов в землю. Следует снижать сопротивление рельсовых цепей, снабжая рельсовые стыки надежными приварными электрическими соединителями, а еще лучше применяя сварные стыки рельсовых звеньев.
Кроме того, ставят также междурельсовые электрические соединители, выравнивающие токи в отдельных нитках рельсов. Надо повышать переходное сопротивление рельсы — грунт, применяя щебеночный балласт вместо песчаного с устройством достаточного количества водоотводных дренажей. Надо уменьшать длины участков рельсовой сети, простирающихся в одну сторону от отсасывающего пункта, и снижать токовую нагрузку каждого такого участка. Естественно, что мера снижения величин должна быть определена на основе технико-экономических расчетов, так как слишком малые значения потребуют больших расходов на увеличение количества отсасывающих пунктов или тяговых преобразовательных подстанций, не всегда оправдывающихся экономией от снижении аварийности и продления срока службы соответствующих подземных сооружений промышленного предприятия.

При нескольких отсасывающих пунктах на рельсовой сети в зоне одной подстанции применяют уравнивание потенциалов всех отсасывающих пунктов, включая добавочные сопротивления в цепи более коротких отсасывающих линий. На самих подземных сооружениях должны проводиться соответствующие защитные мероприятия.
Во-первых, надо снижать до возможного и экономически целесообразного минимума долю блуждающих токов, проникающих в подземное сооружение. Для этого на металлических подземных сооружениях обычно применяют изолирующие покрытия (например, битумы различных марок с различным количеством прослоек бумажной ленты в зависимости от класса сооружения). Электрические кабели иногда прокладывают в пластмассовых защитных противокоррозионных оболочках. Ближние слои засыпки сооружения в траншее производят чистым песком, который является наименее агрессивным из всех грунтов. На весьма протяженных сооружениях применяют секционирование их по длине с изолирующими прокладками в соединительных фланцах, шунтируемых обходными ограничительными сопротивлениями.
Прокладку (устройство) металлических подземных сооружений выполняют по возможности как можно дальше от рельсовых путей электрических железных дорог, поскольку поле блуждающих токов с удалением от их источника заметно ослабевает. Для зашиты малопротяженных ответственных металлических подземных сооружений можно применять металлические решетчатые экраны из вертикальных стальных стержней, забиваемых в землю по контуру вокруг сооружения и соединяемых по горизонтали приваркой таких же стержней или полос.
Во-вторых, надо не давать блуждающим токам, проникшим все же в подземное сооружение, выходить из него в землю через его поверхность, а отводить их по изолированному проводу либо прямо в рельсы (электрический дренаж), либо в землю через специальный промежуточный электрод (анод) в виде закопанного в грунт утильного листа стали, разрушение которого вызовет лишь ничтожный эксплуатационный расход.
В зависимости от расположения отсасывающих пунктов на рельсовой сети и перемещения нагрузок электропоездов во времени и пространстве на рельсах могут возникнуть либо устойчивые потенциальные зоны одного какого-либо знака, либо знакопеременные зоны. В соответствии с этим электрические дренажи могут быть либо прямыми (в цепь дренажного провода включается только ограничительное сопротивление, рубильник и амперметр), либо поляризованными (в цепь дренажа дополнительно включается, например, кремниевый вентиль, пропускающий ток только в направлении от сооружения в рельсы), либо усиленными (в цепь дренажа включается вспомогательный источник постоянного тока, например, кремниевый выпрямитель с направлением э. д. с. от сооружения к рельсам).
Промежуточные электроды в виде листа утильной стали применяются в случаях, когда участок подземного сооружения с анодной зоной находится на столь большом расстоянии от рельсов, что прокладка дренажного провода получается слишком дорогой. Для надежного вывода блуждающих токов из сооружения в землю между ним и промежуточным электродом включают вспомогательный источник постоянного тока (выпрямитель) с направлением э. д. с. от сооружения к электроду. Такое устройство в целом носит название катодной защиты, так как защищаемое сооружение приобретает отрицательный потенциал относительно земли.
В случаях умеренной интенсивности полей блуждающих токов катодную защиту можно осуществить простейшими устройствами — протекторами. Последние обычно представляют собой сплошной цилиндр, отлитый из магниевого сплава, с заделанным в него стальным стержнем для присоединения к нему изолированного провода от подземного сооружения. Протектор закапывается в грунт с промежуточной засыпкой увлажненным активатором, состоящим обычно из 50%-ной смеси глины с какой-либо сернокислой солью (магниевой, кальциевой и т. п.). Такое устройство представляет собой долговременный гальванический элемент, выполняющий ту же роль, что и выпрямитель в обычной катодной защите.
Следует указывать, что электрическая защита металлических подземных сооружений от коррозии блуждающими токами является сложным вопросом, в особенности при наличии в земле нескольких, тем более разновидных, сооружений. В таких случаях задача должна решаться комплексно, так как установка защитных устройств талько на избранных сооружениях, например на силовых электрических кабелях, может привести к ускоренному разрушению других металлических подъемных сооружений.
При изучении полей блуждающих токов и выборе конкретных мер защиты от коррозии блуждающими токами необходимо учитывать влияние и возможное использование контуров рабочих и защитных заземлений понизительных и преобразовательных подстанций и производственных корпусов данного промышленного предприятия.
В целях поддержания защиты металлических подземных сооружений от коррозии блуждающими токами на должном уровне Правилами предписывается проведение регулярного периодического контроля и измерений на источниках блуждающих токов (рельсах) и подземных сооружениях. Некоторые важнейшие из них упоминаются ниже.
На рельсах производится как внешний осмотр стыковых и других электрических соединителей, так и измерение их сопротивлений. Измеряются разности потенциалов отсасывающих пунктов и корректируются регулирующие сопротивления. Измеряются потенциалы рельсов относительно земли и составляются потенциальные диаграммы, из которых видны возможные перемещения опасных зон или изменения их интенсивности. На подземных сооружениях измеряются их потенциалы относительно земли, токи вдоль подземного сооружения и плотности тока утечки из сооружения в землю. По результатам измерений потенциалов относительно земли строятся потенциальные диаграммы, наглядно показывающие зоны коррозионной опасности (анодные зоны).
Порядок, сроки и методы контроля и измерений по защите от коррозии блуждающими токами изложены в Правилах, ими надлежит руководствоваться при проектировании, а затем эксплуатации устройств систем электроснабжения промышленных предприятий, к которым целесообразно причислить и устройства защиты от электрокоррозии.

Дополнительно по разделу:
Системы заземления
ПУЭ 7-е издание
Заземляющие устройства, защитные проводники и проводники уравнивания
потенциалов
ГОСТ Р 50571.5.54-2011
Защитное заземление и зануление электрооборудования
материалы для проектирования и рабочие чертежи ШИФР А10-93
Заземляющие устройства, опор воздушных линий электропередачи напряжением 0,38; 6; 10; 20 кВ
раздел подготовлен согласно типового проекта СЕРИЯ 3.407-150
Заземляющие устройства
основы электороснабжения
Требования к заземляющим устройствам
основы электроснабжения
Расчет заземляющих устройств
основы электроснабжения
Электрокоррозия подземных сетей блуждающими токами
основы электроснабжения
Повторное заземление нулевого провода на вводе в индивидуальный жилой дом