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

Влияние пассивных ЗУ на рельсовые цепи проявляется в том, что-при соединении конструкций и сооружений с низким сопро­ тивлением заземления с рельсами параметры передачи сигналь­ ного тока по рельсовой линии ухудшаются. Это выражается в общем уменьшении сопротивления изоляции между рельсовыми нитями и появлении дополнительных цепей утечки сигнального тока. В контрольном режиме ухудшается чувствительность к повреждению рельса, поскольку появляются дополнительные це­ пи через землю (рис. 18) в обход места поврежденной рельсо­ вой нити. Исследования показали, что в рельсовых цепях с дроссель-трансформаторами в нормальном режиме ухудшаются параметры передачи сигнального тока на 7—12°/0, а в контроль­ ном более чем на 40% при самых неблагоприятных условиях и при. сопротивлении заземления каждого ЗУ 20 Ом. До недав­ него времени на электрических железных дорогах постоянного тока была принята предельно допустимая норма сопротивления заземления 20 Ом, свыше которой разрешалось непосредствен­ ное присоединение (наглухо) ЗУ к одному пз рельсов цепи. Эта „ норма получена ранее, исходя из возможного вредного воздейст­ вия на параметры рельсовых цепей длиной не более 1500 м.. Рельсовые цепи в настоящее время значительно длиннее (до

длиной до 2600 м чувствительность к поврежденному рельсу и к шунту будет удовлетворительной лишь при удельном сопротив­ лении заземления всех ЗУ в 6 Ом*км. Это равнозначно тому, что-каждое ЗУ, подключенное к рельсам непосредственно (наг­ лухо), должно иметь сопротивление заземления не менее 100 Ом. Для исключения влияния заземления ЗУ на параметры пе­ редачи сигнального тока в рельсовой цепи рекомендуется повы­ сить норму допустимого сопротивления наглухо присоединяемых

источник

питания

Рис. .18. Схема гтечкн сигнального тока из рельсов в землю через заземляю-

40.

ЗУ до 100 Ом или отказаться от непосредственного заземления ЗУ на рельс, сопротивление заземления которых ниже 100 Ом, и присоединять их к рельсам через искровые промежутки мно­ гократного действия (ИПМ-62).

Путевые приемники рельсовых цепей и АЛС на электрифици­ рованных железных дорогах подвержены влиянию помех, соз­ даваемых тяговым током. Как уже отмечалось, основной причи­ ной, вызывающей помехи как на релейном, так и на питающем концах рельсовой цепи, является неравномерное (асимметрич­ ное)'растекание обратного тягового тока по рельсам.

При электрической тяге на переменном токе эту помеху соз­ дает ток основной гармоники 50 Гц, а также гармоник более вы­ сокого порядка, которые содержатся в составе тягового тока за счет искажения формы кривой тока при работе выпрямительных устройств на локомотиве. На электрической тяге постоянного то­ ка помеху создают как постоянная, так и гармонические состав­ ляющие, которые возникают в результате' выпрямления пере­ менного тока на тяговых подстанциях. Влияние постоянной сос­ тавляющей тягового тока проявляется в подмагиичивании сер­ дечника дроссель-трансформатора, в результате чего изменяют­ ся индуктивность обмоток дросселя и, как следствие, входное сопротивление релейного или питающего концов цепи. По усло­ виям надежной работы рельсовых цепей во всех режимах до­ пускается изменение индуктивности дросселя не более чем на 10%- Поэтому в рельсовых нитях допустимая асимметрия тяго­ вого постоянного тока установлена в 12%.

Гармонический состав тягового тока обычно известен и это дает возможность оценивать помеху отдельно от каждой гармо­

* Работа выпрямителя с неполным числом анодов.

**Неснмметрия фазных напряжений (до 4%).

***Отключение резонансных контуров в фильтре.

41

В случае продольной и поперечной асимметрии в рельсовых нитях начинают протекать неравные по величине токи. Ток помехи, определяемый разностью токов в рельсах, проте­ кая по полуобмоткам дросселя, создает напряжение на нем, ко­ торое, трансформируясь в дополнительную обмотку, приводит к мешающему или опасному влиянию на работу путевого реле. На входе реле установлены защитные фильтры, но это пол­ ностью не исключает влияния тока помехи. Кроме того, при появлении тока помехи с частотой, совпадающей с частотой сиг­ нального тока или близко расположенной от нее, такими филь­ трами вообще нельзя, снизить сколько-нибудь влияние такого тока на рельсовую цепь. Поэтому важное значение имеет сниже­ ние уровня продольной и поперечной асимметрии в рельсовой цепи. Продольная асимметрия вызывается преимущественно неодинаковыми сопротивлениями рельсовых нитей тяговому то­ ку и зависит главным образом от состояния рельсовых стыков, т. е. от качества приварных рельсовых соединителей и переход­ ного сопротивления между накладками и рельсами.

Поэтому весьма важно в эксплуатационных условиях выдер­ живать те необходимые нормы и требования, которые предъяв­ ляются к соединителям.

Максимально возможная продольная асимметрия цепи для постоянного тока составляет около 10% и снижается с увели­ чением частоты тока в рельсах, а при частоте 50 Гц составляет около 5%. Как показали исследования, продольная асимметрия мало оказывает влияние на параметры передачи в рельсовых це­ пях сигнального переменного тока (не более 2—3%), но в силь­ ной степени усиливает влияние гармонических составляющих тягового тока.

Поперечная асимметрия (асимметрия утечек в рельсовых цепях) зависит от разности сопротивлений изоляции рельсовых нитей относительно земли и создается главным образом галь­ ванической связью рельсовых нитей с заземляющими устройст­ вами. Неравномерное распределение гармонических токов в рельсах сильно зависит от поперечной асимметрии, причем наи­ большая неравномерность проявляется при высоком сопротив­ лении изоляции рельсов (например, зимой).

Из-за асимметрии сопротивления рельсовых нитей по отно­ шению к земле значительно усиливается влияние сигнального тока смежных рельсовых цепей на работу путевого реле. Нап­ ример, при длине цепи 2600 м и удельном сопротивлении ЗУ 0,3 Ом • км напряжение на путевом реле за счет гальваническо­ го влияния сигнального тока смежной цепи может достигать бо­ лее 80% напряжения полного подъема якоря путевого реле ко­ довой рельсовой цепи (£/р =3,2 В). При свободной цепи это напряжение вызывает неправильную работу реле, а в устройст­ вах АЛ С приводит к сбою кодовых сигналов, в контрольном же

42

режиме—к понижению чувствительности рельсовой цепи к изло­ му рельса.

Основной путь снижения влияния гармоник тока помехи зак­ лючается в уменьшении асимметрии, т. е. в устранении непос­ редственного соединения ЗУ с рельсами, если сопротивление заземления их недостаточно велико. Расчеты показывают, что повышение уровня сопротивления в цепи заземления ЗУ до 100 Ом (удельное сопротивление 6 Ом-км), максимальное зна­ чение тока помехи снижается до допустимого.

Разземленпе опорных и поддерживающих конструкций, про­ изводимое при применении схем потенциальной защиты контакт­ ной сети от токов короткого замыкания, явится, безусловно, с точки зрения снижения асимметрии рельсовой цепи самым эф­ фективным мероприятием.

Поэтому в новых требованиях к устройству заземлений на электрифицированных железных дорогах постоянного тока, ис­ ходя из особенностей работы рельсовых цепей автоблокировки и ограничения утечки тягового тока, установлено, что все заземля­ ющие устройства могут быть подключены к одному из рельсов цепи непосредственно (наглухо) только при сопротивлении в цепи заземления более 100 Ом. В остальных случаях ЗУ подклю­ чают к рельсам через искровой промежуток.

Кроме этого, на двухпутных электрифицированных участках устанавливают междупутные соединения. Экспериментально установлено, что при устройстве поперечных соединений снижа­ ется влияние тягового тока на рельсовые цепи, так, как в этом случае уменьшается величина тока помехи, приходящаяся на одну рельсовую цепь.

Однако подключение ЗУ и междупутных соединений к сред­ ним точкам путевых дроссель-трансформаторов может неблаго­ приятным образом сказаться на условиях работы рельсовой це­ пи в основных режимах и прежде всего в контрольном и шунтовом.

Из теории рельсовых цепей с дроссель-трансформаторами известно, что все режимы работы цепи могут быть выполнены надежно при соответствующих величинах входного сопротивле­ ния ZBX, измеренного между средней точкой и землей. В обыч­ ных рельсовых цепях это сопротивление всецело зависит от па­ раметров смежных рельсовых цепей. В контрольном режиме че­ рез эти соединения создаются дополнительные пути для прохож­ дения тока утечки через землю в обход места повреждения

(см. рис. 18).

При подключении к средним точкам дросселей параллель­ ных цепей, ЗУ и т. п. и при соизмеримости их входных сопротив­ лений с входными сопротивлениями смежных цепей общее вход­ ное сопротивление уменьшается и снижается чувствительность рельсовой цепи к излому рельса.

43

На рис. 18 сопротивление ZBX замещает входное сопротивле­

изоляции рельсовых нитей R n уменьшаются потери, обусловлен­ ные утечкой, a Z3 •— постоянная величина, то молено определить предельно допустимое значение входных сопротивлений зазем­ ляющих устройств. Как показали исследования, проведенные в последние годы, входные сопротивления ЗУ, подключаемых к средним точкам дроссель-трансформаторов одной рельсовой це-' пи, исключая элементы соседних рельсовых цепей, должны быть не менее 5 Ом для рельсовых цепей 50 Гц. По этой причине при присоединении к средним точкам электрических дренажей необ­ ходимо учитывать величину их входного сопротивления. Если оно для тока 50 Гц меньше 5 Ом, то необходимо включать по­

жет быть не только потеря контроля целостности рельсовых ни­ тей, но и в отдельных случаях свободности участка пути (потеря чувствительности к шунту). на рис. 18 обозначает сопротивле­ ние заземления опор.

Наличие междупутных перемычек также оказывает вредное воздействие на работу цепи. В случае когда утечка тока е рель­ сов отсутствует (Ra = со ) и поврежден рельс (рис. 19), ток от питающего конца, протекая по целому рельсу, через смежные цепи и перемычки междупутных соединений и свободные, па­ раллельные рельсовые цепи /ь /2, к попадает обратно к источни­ ку питания поврежденной рельсовой цепи /. При неблагоприят­ ных условиях возможно, что путевое реле будет получать ток, достаточный для срабатывания якоря.

Рис. 19. Схема перетекания сигнального тока через междупутные перемычки в контрольном режиме

44

Исследованиями и расчетами установлено, -по междупутные

50 Гц составит около 8 Ом. При устройстве междупутных соеди­ нений на каждом втором дроссельном стыке и при длине цепи до 2 км входное сопротивление цепи обхода для тех же условин окажется на уровне 5 Ом.

В случае понижения сопротивления изоляции уменьшается сигнальный ток, протекающий по обходной цепи за счет допол­ нительной утечки с рельсов поврежденной цепи последовательно, влияние обходных путей будет еще меньше. Поэтому допустимо и более частое соединение средних точек дросселей на многопут­ ных участках, если сопротивление сигнальному току в цепи обхо­ да не менее 5 Ом. Для рельсовых цепей 25 Гц входное сопротив­ ление по условиям устойчивой работы рельсовой цепи должно быть не менее 3 Ом. Во всех случаях, когда соединяются сред­ ние точки дроссель-трансформаторов питающего и релейного концов одной рельсовой цепи (как это делается, например, в схеме вентильного секционирования рельсовой сети), в обход­ ные перемычки необходимо включать дополнительный защит­ ный дроссель (З Д ), полное сопротивление которого сигнально­ му току составило бы не менее 5 Ом. При этой величине сопро­ тивления обходного пути и при максимальном сопротивлении изоляции рельсов все режимы работы цепи будут обеспечены.;

Таким образом, исходя из условий устойчивой работы рель­ совых цепей автоблокировки, к средствам ограничения утечки тягового тока предъявляются следующие дополнительные тре­ бования:

1) сопротивление утечки для сигнального тока автоблокиров­ ки при глухом присоединении сооружений и конструкций на рельсовые нити должно быть не менее 100 Ом, а на среднюю, точку путевых дроссель-трансформаторов рельсовых цепей—не- менее 5 Ом;

2) междупутные перемычки и электрические дренажи допус­ тимо подключать к средним точкам путевых дроссель-трансфор­ маторов через три рельсовые цепи (через два дроссельных сты­ ка на третий) или в каждом дроссельном пункте при включении последовательно в цепь присоединения защитного дросселя, пол­ ное сопротивление которого сигнальному току (50 Гц) не менее

5 Ом;

45

I

Глава III

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

§ 1. ПАССИВНЫЕ И АКТИВНЫЕ МЕРЫ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Мероприятия по защите подземных сооружений (кабелей, трубопроводов) от коррозии блуждающими токами, применя­ емые на самих сооружениях, разделяются на две группы: меры по уменьшению проникновения блуждающих токов из окружаю­ щей среды на подземные металлические сооружения (пассивная защита) и меры по защите сооружений от проникших на них блуждающих токов (активная защита).

К пассивным мерам защиты относятся изолирующие покры­ тия, прокладка в изолирующей канализации, правильный выбор трассы сооружения, электрическое секционирование. Для же­ лезнодорожных подземных сооружений основным и первооче­ редным мероприятием, предотвращающим прямое попадание тяговых токов с рельсов в подземные сооружения, является устранение всех возможных металлических сообщений трубо­ проводов и оболочек кабелей с рельсами через конструкции, за­ земляемые на рельс. При наличии таких сообщений, особенно в анодной зоне рельсовой сети, коррозионные повреждения появ­ ляются уже через несколько месяцев после ввода в эксплуата­ цию электротяги.

В практике отмечались случаи прожига оболочек кабелей при коротких замыканиях контактной сети на рельс в месте со­ общения ■кабеля с рельсами. Наиболее часто такие сообщения выявляются на кабелях СЦБ, заходящих в релейные шкафы и светофорные мачты, заземляемые на рельс. В этих случаях обо­ лочка и броня кабеля должны быть изолированы от корпуса ре­ лейного шкафа или мачты, даже если они заземлены на рельс через искровой промежуток. По этой же причине все подземные металлические трубопроводы и кабели при прохождении по ме­ таллическим и железобетонным мостам, путепроводам должны

конструкций, заземленных на рельсы, в обе стороны на расстоя­ нии 3 м укладываются в изолирующей канализации.

При прокладке непосредственно в земле в районе распрост­ ранения блуждающих токов независимо от коррозионной актив­ ности грунта стальные трубопроводы должны иметь весьма у ст

46

ленное защитное покрытие, а кабели — преимущественно поли­ мерное покрытие шлангового типа. Кабели силовые, связи и си­ гнализации с голыми свинцовыми оболочками прокладываются только в изолирующих трубах, блоках, каналах, тоннелях и коллекторах -с обеспечением отвода из них грунтовых и ливне­ вых вод.

Вновь прокладываемые трубопроводы и кабели, идущие вдоль железнодорожных линий, желательно по возможности удалять от электрифицированных путей. На территориях стан­ ций, депо расстояния по прямой между ближайшей ниткой рель­ сов и подземным сооружением должны быть в междупутьях не менее 1,6 м, а при прокладке с полевой стороны путей—не менее 2 м. При разбивке трасс следует стремиться к наименьшему чис­ лу пересечений подземных сооружений с электрифицированными путями. Глубина укладки сооружений при пересечениях с рель­ сами— не менее 1,5 м от подошвы рельсов. Кабели под путями прокладывают в асбоцементных трубах, трубопроводы — в фут­ лярах (на изолирующих прокладках, центрирующих положение трубы в футляре). Торцы футляра уплотняют, а трубопровод покрывают усиленной изоляцией, выступающей на 3 м от кон­ цов футляра. Пересечения не допускаются под стрелками и кре­ стовинами, а также в местах присоединения к рельсам отса­ сывающих линий.

Существенно, что большинство из перечисленных мер явля­ ются одновременно мерами и по защите от почвенной коррозии. Причем наличие блуждающих токов предъявляет требования более жесткие, чем при опасности почвенной коррозии. Поэто­ му если на электрифицированном участке выполнены все пас­ сивные меры по защите от блуждающих токов, то это одновре­ менно выполняет задачу защиты и от почвенной коррозии.

С е к ц и о н и р о в а н и е подземных сооружений основано на электрическом разделении трубопроводов или оболочек кабелей на отдельные секции, чем достигается значительное увеличение продольного сопротивления сооружений, а вследствие этого — значительное снижение блуждающих токов,* протекающих по ним. Стальные трубопроводы делят на секции изолирующими фланцами с прокладками из изоляционных материалов, тексто­ литовыми втулками и шайбами, на кабелях — изолирующими муфтами различной конструкции (чугунные, эпоксидные и т. п.).

Иногда секционирование кабелей выполняется кабельной вставкой, не имеющей металлической оболочки и брони, или металлическая оболочка и броня кабеля разделываются в земле перед вводом кабеля в здание или шкаф. Электрическое секцио­ нирование особо эффективно для гальванического отделения подземного сооружения от участков, где возможно интенсивное натекание блуждающих токов или во избежание выноса опасных потенциалов вдоль трубопроводов и кабелей. Например, целе­ сообразно секционировать кабели п трубопроводы на вводах в

47

f

тоннели, депо, тяговые подстанции, посты секционирования, нефтяные базы и т. п. Продольное секционирование сооружений вдоль всей трассы применяется крайне редко, так как это тру­ доемко и не избавляет полностью от необходимости защищать сооружение от блуждающих токов, поскольку на одном из кон­ цов каждой секции появляются анодные потенциалы от перете­ кающих в обход стыка токов. Только очень частое секциониро­ вание решает вопрос полностью. Примером этого могут (слу­ жить чугунные водопроводы, стыкованные на цементе. Для них блуждающие токи практически безопасны.

Если не применяется активная защита на подземных соору­ жениях (временно или постоянно) и есть возможность электри­ чески разобщить коммуникации, то такое секционирование сыг­ рает положительную роль. Например, часто введение активной защиты происходит лишь спустя один-два года после пуска элек­ тротяги. Целесообразно весь этот период не объединять пере­ пайкой оболочки кабелей в колодцах, шкафах, зданиях, и лишь перед вводом активной защиты осуществить перепайку.

Активная защита. Вследствие несовершенства применяемых изолирующих покровов, их недолговечности, возможности появ­ ления дефектов изоляции в процессе укладки и эксплуатации, снижения вообще изолирующих свойств покрытий во времени блуждающие токи в кйкой-то мере проникают на подземные со­ оружения, создавая на них анодные и катодные зоны. На маги­ стральных подземных (сооружениях распределение зон противо­ положно (негативно) по отношению к потенциальной диаграмме

48

блуждающих токов с подземного сооружения в рельсы (электродренажная защита) или нейтрализация действия этих токов встречным током (катодная защита, защита протекторами).

Известно (глава I), что опасность электрокоррозип снима­ ется полностью при снижении положительных потенциалов со­ оружения до нуля. Для полной защиты от почвенной коррозии (где это необходимо) следует создавать катодную поляризацию сооружения до уровня поляризационных потенциалов, ограни­ ченных значениями, приведенными в табл. 4. Разделение оми­ ческой и поляризационной составляющих потенциала при изме­ рениях в постоянно изменяющемся поле блуждающих токов крайне затруднительно, поэтому приближенно при осуществле­ нии катодной поляризации следует руководствоваться следую­ щим: при измерениях к стальному электроду достаточно смеще­ ния среднего потенциала сооружения по отношению к земле до —0,3 В. Максимальный потенциал может достигать —2,5 В.

Электрический дренаж является основным наиболее ‘ про­ стым и эффективным средством защиты подземных сооружений от блуждающих токов. Сущность работы электрического дрена­ жа 'заключается в следующем. Если потенциал рельсов отрица­ тельный, а на подземном сооружении имеется анодная зона (рис. 21, а), то соединением металлически сооружения с рельса­

оружения в землю прекращается. Фактически цепь тока утечки с сооружения через землю в рельсы шунтируется значительно меньшим сопротивлением дренажной цепи. Для рельсовой сети такое соединение с подземным сооружением1является как бы заземлением, в связи с чем дополнительная часть блуждающего

49