книги из ГПНТБ / Коррозия и защита сооружений на электрифицированных железных дорогах

подземных бронированных кабелей и стальных трубопроводов практически безопасным является длительное протекание тока утечки ниже 0,15 мА/дм2, для чугунных трубопроводов — ниже 0,75 мА/дм2/ для стальной арматуры железобетонных конструк­ ций — ниже 0,6 мА/дм2. Только знание плотности тока утечки позволяет ответить на вопрос: каковы же весовые потери метал­ ла с единицы его поверхности? Но несмотря на универсальность этого критерия, в практике определить с достаточной точностью действительную плотность тока утечки с заглубленного в землю сооружения, имеющего в обязательном порядке изолирующий покров и в силу этого неопределенную поверхность утечки, не представляется возможным. Поэтому применяют косвенные критерии опасности электрокоррозии, свидетельствующие толь­ ко о наличии токов утечки, а не о их величине. В качестве тако­ вого можно использовать факт анодного состояния поверхности металла пли, иначе говоря, наличие положительного потенциала на нем по отношению к окружающей среде. Правда, величина потенциала однозначно не определяет количественную сторону опасности коррозии, ибо она включает падение напряжения от тока утечки на сопротивлениях контакта металл—электролит, изоляционного покрова и прилегающих слоев грунта. Например, совершенно по-разному следует оценивать потенциал +1В по отношению к земле на кабеле с некачественным изолирующим покровом в грунтах с р= 10 и 100 Ом-м. Коррозионная опас­ ность для первого может быть на порядок выше, чем второго. Для сооружений с качественными изолирующими покровами величина потенциала вообще не определяет степень опасности коррозии, ибо утечка может совсем отсутствовать или быть ни­

10

Т а б л и ц а -4

Поляризационное смещение потенциала представляет собой скачок потенциала на двойном ионном слое непосредственно у поверхности металла. Этот слой ничтожной толщины в электри­ ческом смысле ведет себя как конденсатор, имеющий опреде­ ленную емкость. Поэтому,, например, при отключении катодно поляризующего тока поляризационный потенциал уменьшается не сразу, а постепенно за счет разряда емкости двойного слоя. Аналогичное явление происходит и при смене полярности поля­ ризующего тока.

Именно по указанной причине и в силу определенной инерт­ ности ионных процессов электрокоррозия металлов при пере­ менном токе с частотой 50 Гц при равных плотностях тока (до определенного значения) происходит на один-два порядка ела-' бее, чем при постоянном токе. Причем основная доля тока зат­ рачивается на перезаряд емкости двойного ионного слоя (ем­ костная составляющая), не вызывая потерь металла. Лишь при достижении определенной «критической» плотности тока, которая составляет для алюминия 50—100 мА/дм2, для стали 100—200 мА/дм2 в расчете на оголенную поверхность, воз­ можно появление заметной электрокоррозии образцов, т. е. про­ исходит как бы разрыхление (разрушение), двойного ионного слоя, снижение его емкости и большая часть тока идет уже' на растворение металла. Существует мнение, что наличие перемен­ ного тока активизирует деятельность гальванопар, что усилива­ ет почвенную коррозию; для алюминия становятся опасными вторичные продукты электролиза раствора, разрушающие за­ щитную, окисную пленку.

12

Глава II

БЛУЖДАЮЩИЕ ТОКИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И МЕРЫ ПО ИХ ОГРАНИЧЕНИЮ

§ 1. ПОНЯТИЕ О БЛУЖДАЮЩИХ ТОКАХ

Особенностью электрического рельсового транспорта, отли­ чающей его от обычных потребителей электроэнергии, является постоянное перемещение тяговой нагрузки (поездов) и исполь­ зование рельсовой сети1 в качестве обратного провода системы энергоснабжения. Такая «однопроводная» (по контактной сети) схема питания поездов принята фактически на всех железных дорогах мира, трамвае и метрополитене. Использование ходо­ вых рельсов для возврата тяговых токов на подстанцию оказа­ лось крайне выгодным и удобным, а именно: экономятся цвет­ ные металлы, электроэнергия и уменьшается падение напряже­ ния. Отказ от использования рельсовой сети в качестве обрат­ ного провода привел бы' к необходимости монтажа двух контакт­ ных подвесок на каждый путь, что крайне затруднило бы то­ косъем, переход с одного пути на другой и т. д.

Но рельсы, лежащие на шпалах и балласте, неидеально изо­ лированы от земли, и поэтому в возврате тягового тока на под­ станцию участвует и земля, как параллельный рельсам провод­ ник. Поднять сопротивление изоляции рельсов выше определен­ ного уровня, составляющего несколько Ом-км, в условиях значи­ тельных динамических нагрузок при проходе подвижного сос­ тава, периодического увлажнения и загрязнения верхнего стро­ ения пути практически невозможно. Поэтому ответвление части тягового тока с рельсов в землю следует признать неизбежным и сопутствующим явлением любого вида электрифицированно­ го рельсового транспорта.

1 Здесь и в дальнейшем понятие рельсовая сеть обозначает всю цепь про­ текания тяговых токов по рельсам от поездов до тяговых подстанций в отли­ чие от понятия рельсовая цепь, обозначающего ограниченный изолирующими стыками участок рельсов, по которому протекают сигнальные токи автоблоки­ ровки.

13

отражает сложную картину протекания токов в земле, опреде­ ляемую проводимостью отдельных участков и слоев земли, кон­ струкцией рельсовой сети, наличием и конфигурацией трасс подземных сооружений. В грунтах с высокой электропровод­ ностью поле блуждающих токов локализуется вблизи трассы железной дороги, в значительной степени затухая уже в не­ скольких сотнях метров от пути. В грунтах со средней проводи­ мостью поле блуждающих токов может охватывать район до не­ скольких километров от железной дороги. В скальных и сухих песчаных грунтах отмечались случаи распространения блужда­ ющих токов до 20 — 30 км в сторону от пути. Во всех случаях наиболее сильное коррозионное влияние блуждающих токов распространяется на подземные сооружения, проложенные в не­ посредственной близости от путей, т. е. кабели и трубопроводы железнодорожного хозяйства, тяготеющие к путевому развитию.

Защита от коррозионного воздействия блуждающих токов электротяги является весьма важной задачей и для многих дру­ гих отраслей народного хозяйства, имеющих подземные трубо­ проводы и кабели. С первых дней электрификации железных до­

задачи четко разграничены: организации, являющиеся владель­ цами источников блуждающих токов (в частности, железные до­ роги), должны максимально ограничивать утечку тяговых токов

доработок или несовершенства системы энергоснабжения элек­ трифицированного рельсового транспорта.

Вообще наличие блуждающих токов в земле не всегда явля­

производится также наиболее дешевым способом — дренажами. Поэтому полное (т. е. на 100%) прекращение утечки тяговых токов может поставить иногда очень сложную и трудную, на­ пример, для городских условий задачу осуществления на сети подземных сооружений катодной защиты от почвенной корро­ зии. Расходы на такую защиту в агрессивных грунтах будут явно больше, чем на защиту от блуждающих токов. В зарубеж­ ной практике уже отмечался случай, когда после снятия трам­ вайного движения появилась сильная почвенная коррозия на

14

участках коммуникаций, ранее катодно поляризованных блуж­ дающими токами. Вероятно, для каждого конкретного района существует оптимальный уровень величин блуждающих токов в земле, снижение которого может привести не к удешевлению, а, наоборот, к удорожанию защиты подземных сооружений.

§ 2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКОВ И ПОТЕНЦИАЛОВ ВДОЛЬ РЕЛЬСОВОЙ СЕТИ

Вследствие протекания по рельсам токов, потребляемых поездами, вдоль рельсов создаются падения напряжения. При­ чем если бы релысы были изолированы от земли так же, как, например, контактная сеть, то напряжение рельс—земля распре­ делялось бы по линейному закону 1 (рис. 4) и весь ток проте­ кал бы по рельсам только на участке АБ (ток в земле равен ну­ лю). Однако наличие цепи через землю приводит к утечке части тягового тока и иному распределению его в рельсах. Ток проте­ кает и по смежным участкам рельсов, а ток в земле не равен нулю и достигает максимума в точке нулевого потенциала рель­ сов. Участок рельсовой сети, с которого стекает тяговый ток, получил название анодная зона, а зона притекания — катодная.

15

быть определены по фор­ мулам:

где ш — волновое сопро­ тивление рельсовой сети, Ом • км;

к—коэффициент утеч­ ки вдоль рельсов 1/км. Сопротивление

Ш— \ R • R пер • Коэффициент

|/^Г ’

можно получить 'усредненную потенциальную диаграмму, пред­

ходящихся в тяговом режиме),. Максимальный ток в земле наб­ людается в сечении нулевого потенциала рельсов. Величины потенциалов и протяженности зон зависят от многих факторов и в среднем соответствуют значениям, приведенным на рис. 5

16 ‘

туменьшается в 2 раза)

Взимних условиях из-за увеличения переходного сопротивле­

Если на участке применяется рекуперация электроэнергии поездами, то возникает искажение описанного вида потенциаль­

Рис. 7. Фрагмент регистрограммы изменения потенциала-«рельс—земля» в се­ редине межподстанционной зоны (а) и у отсоса (В) одного из действующих..

участков ' .

\ ' 17

электровоз можно рассматривать как перемещающуюся тяго­ вую подстанцию). Вследствие этого практически во всей межподстанционной зоне могут наблюдаться знакопеременные потенциалы.

При неравномерном распределении тяговой нагрузки между подстанциями, что может быть из-за неравенства напряжения на их шинах и, как следствие, протекания уравнительных токов, между ними, возникает искажение нормального вида потен­ циальной диаграммы (рис. 5, кривая 7); при этом блуждающие токи в земле увеличиваются.

§ 3. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЕЛИЧИНУ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ В ЗЕМЛЕ

Величина блуждающих токов в земле на участках постоян­ ного тока определяется в основном состоянием рельсовой сети, а именно—продольной и поперечной проводимостью пути. Чем ниже продольное сопротивление рельсов и чем выше переходное1 сопротивление рельс—земля, тем меньше утечка тяговых токов в землю. Кроме того, влияет, естественно, уровень потребляемых тяговых нагрузок, расстояние между тяговыми подстанциями,, режим работы подстанций. Ток утечки сложным образом зави­ сит от всех этих факторов. Критерием технического состояния железной дороги, как источника блуждающих токов, является интегральное значение тока утечки со всей анодной зоны рель­ совой сети, создаваемой поездами между тяговыми подстан­ циями.

гочисленные измерения на сети железных дорог показывают,, что основную часть переходного сопротивления рельсов относи­ тельно земли составляют: сопротивления токам утечки шпал,, балласта и земляного полотна (75—90%). Сопротивление расте­ канию токов в земле играет значительно меньшую роль. Ориен­

18

тировочное переходное сопротивление рельсовых путей магист­ ральных железных дорог на деревянных шпалах следующее:

.в подавляющем большинстве случаев на электрифицированных участках применяется щебеночный балласт, то этот диапазон сужается до 0,3—1,0 Ом-км. Характерно, что с ростом R пер До 0,1—0,2 Ом • км идет (см. рис. 8) резкое снижение / у, а в области

ция верхнего строения пути, принятая на электрифицированных участках железных дорог, уже сама по себе без каких-либо спе­ циальных мер в значительной степени ограничивает утечку тя­ говых токов, снижая ее до 20—30% от потребляемых тяговых

19