Розділ 9. Блукаючі струми

9.1. Аналіз блукаючих струмів

Одним з основних недоліків рейкового електричного транспорту є те, що протікаючи по рейках тяговий струм створює в них втрату напруги, яка через перехідний опір «рейка - ґрунт» прикладається до ґрунту і до різних підземних споруд, що знаходяться поблизу рейкового полотна. Це призводить до витікання струму з рейокгрунті, а в разі відсутності спеціальних заходів протікає підземними металевими спорудами. Тяговий струм у цьому випадку поділяють на дві частини, одна з яких протікає рейками, а інша – відгалужується від них і протікає ґруномгрунту. Струми, що відгалузилися від рейкової мережі в ґрунт, називають блукаючими. Виділяють характерні ділянки рейкової мережі – сферу, де рейки мають потенціал вищий, ніж ґрунт, звуть анодною зоною (рис. 9.1). У цій частині ділянки блукаючі струми відгалужуються з рейкового полотна. Сфера, де ґрунт має потенціал вищий, ніж рейка, називають катодною зоною. Блукаючі струми на цій ділянці повертаються з ґрунту до рейок. Між анодною і катодною зоною утворюється сфера, в якій потенціали рейкової мережі і ґрунту однакові - це зона нульового потенціалу (нейтральна зона) [3,6,26].

	Як видно з |рис.9.1, розташування анодної і катодної зони на підземній споруді протилежні. У разі позитивної полярності рейкова мережа в режимі тяги поблизу пункту приєднання негативної живильної лінії до рейкової мережі є катодна зона, а на підземній споруді — анодна.
Рис. 9.1 - Схема протікання блукаючих струмів: 1 – тягова підстанція; 2 – рейки; 3 – рухомий склад; 4 – контактний провід; 5 – ґрунт; 6 – підземні спорудження

Катодна зона на підземній споруді і, відповідно, анодна на рейках переміщуватимуться у міру зміни розташування тягових навантажень. Такі зони інколи називають блукаючими. Таким чином, на підземній споруді анодна зона буде відносна стабільно розташовуватися поблизу пункту приєднання, а катодна зона переміщуватиметься. Як уже відмічалось вищевказувалося, найбільш небезпечною зоною для металевих споруд є анодна зона.

Шунтуючий ефект ґрунту вносить незначні кількісні зміни в електричі процеси у ТМ. Його вплив на втрати напруги до струмоприймача потягів і розподіл струму у колі – незначний. Але протікання струму підземними спорудами наносить їм значних збитків.

У результаті розчинення у волозі ґрунту солей, лугів, кислот у місцях входу і виходу блукаючих струмів, на межі між металом і ґрунтом відбуваються електричні процеси. Найбільш небезпечними є зони виходу струмів з металевих споруд, оскільки в цих місцях відбувається електролітичне роз'їдання металу. У загальному випадку розрахунок блукаючих струмів представляє дуже складну задачу. Знайти простий спосіб точного врахування впливу на блукаючі струми безупинного переміщення і зміни тягових навантажень, мінливості змін перехідного опору R_р-з і неоднорідної провідності самого ґрунту подовж шляху дуже складна, практично нерозв'язна задача. Знайти такі допущення для спрощення методики дослідження, які не вносять серйозні похибки в кінцеві результати, - одна із задач. Теоретично найбільш складною задачею є визначення шунтуючого впливу ґрунту. В умовах міського транспорту рейкові лінії мають дуже розгалужену схему і складний контакт із ґрунтом. Сам ґрунт неоднорідний на окремих ділянках шляху; його електроопір неоднаковий через різні властивості ґрунту, та неоднакову вологість верхніх і нижніх шарів узимку; розходження властивостей ґрунту по глибині.

Для інженерних методів розрахунку шунтуючий вплив ґрунту можна представити рейковий шлях у вигляді лінії з розподіленими подовжніми і перехідними опорами як нескінченну провідність (рис.9.2 ) [3,6].

Рис.9.2 - Схема заміщення рейкової колії: rp - опір 1км рейкової мережі, Ом/км; rпер - перехідний опір «рейка- ґрунт», Ом·км.

Перехідний опір r_пеp містить у собі: опір шпал, баластного шару з урахуванням опору переходу між рейками і шпалами, шпалами і баластом, а також опором розтікання струму в ґрунті. Поряд з первинними параметрами r_пеp і r_p у теорії блукаючих струмів застосовують вторинні параметри: коефіцієнт загасання (характеристика витоку): p = , км^-1 і хвильовий опір m = , Ом.

Розрахункова шунтуюча дія ґрунту може бути оцінена відношенням втрати напруги в рейках на розрахунковій ділянці, знайдено з врахуванням шунтуючого опору ґрунту r_пер до втрати напруги при ізольованій від землі рейки, тобто при r_пер = ∞. Позначимо це відношення ∆U_ро. Чим більше ∆U_ро, тим менша частина струмів, що відгалужуються в землю і, навпаки, чим менше ∆U_ро, тим більше блукаючі струми.

Визначення блукаючих струмів за даною схемою зводиться до знаходження потенціалу рейок щодо ґрунту.

В таблиці 9.1 наведені дані найменших і найбільших значень величин r_p та r_пер.

Таблиця 9.1 – Дані найменших і найбільших значень величин

Вид транспорту	пора року	rр Ом/км	rпер Ом·км	р, км-1	m, Ом	L, км	∆Uро
Трамвай	Літо	0,009	0,06	0,39	0,023	1,5/3,0	0,97/0,58
	Зима	0,002	4,5	0,04	1,18	1,5/3,0	0,999/0,94
Магістральний	Літо	0,01	0,2	0,12	0,084	1,5/30	0,8/0,27
	Зима	0,008	150	0,007	1,1	1,5/30	0,99/0,9

Графік, що відображає цю залежність для різних точок рейкової мережі, називають потенційною діаграмою (рис.9.3).

Одержання точного аналітичного вираження потенційної діаграми навіть для такої ідеалізованої схеми важко з двох обставин:

- складності визначення струмів у рейках з обліком шунтуючої дії ґрунту;

- складності обліку беззупинного переміщення і зміни тягових навантажень рейкової мережі.