В статье рассматриваются причины возникновения и способы борьбы с блуждающими токами в тяговом электроснабжении.
Ключевые слова: транспорт, электрические сети, блуждающие токи, коррозия, тяговая сеть.
В настоящее время с ростом уровня урбанизации в большинстве современных государств крупные города становятся все более обширными и густонаселенными. Задачу перевозки растущего числа пассажиров внутри и за пределами мегаполисов берет на себя различный городской и пригородный транспорт, в том числе железные дороги, метро, трамваи. Однако с ростом городов увеличивается и плотность застройки, количество различных линий коммуникаций, появляются новые транспортные артерии. В этих условиях блуждающие токи, появляющиеся при функционирование электрифицированного рельсового транспорта, несут серьезную опасность как транспортной инфраструктуре, так и множеству примыкающих объектов и строений, износ и разрушение которых способны повлечь за собой значительные последствия. Блуждающие токи как явление являются токами, возникающие в земле при её использовании в качестве токопроводящей среды. Они способны вызывать коррозию металлических объектов, соприкасающихся с землей в непосредственной близости от их источника. Источниками же блуждающих токов являются линии железных дорог постоянного и переменного токов, трамвая, метрополитена и ряда других объектов транспортной инфраструктуры, как правило расположенных в пределах плотно застроенных городов. Применительно к данным объектам по ГОСТу [1] блуждающий ток — это доля электрического тока железнодорожного электроподвижного состава, протекающая в земле и в подземных сооружениях при использовании рельсов железнодорожного пути в качестве второго провода. Схема протекания блуждающих токов представлена ниже на рис. 1. В этом случае объектом, через который протекают блуждающие токи, является трубопровод. В анодной зоне, т. е. в месте выхода блуждающих токов из трубопровода, происходит интенсивное «вымывание» ионизирующихся атомов металла.
Рис. 1. Схема возникновения блуждающих токов: 1 — ЭПС, 2 — тяговая подстанция, 3 — контактный провод, 4 — рельс, 5 — почва, 6 — трубопровод, 7 — направление протекания тока, 8 — направление движения ионов
В результате таких процессов в участках выхода токов из рельсов и трубопровода возникает процесс электрохимической коррозии. Она является самым распространенным видом коррозии и возникает при контакте металла с окружающей электролитически проводящей средой. По ГОСТу [2] под электрохимической коррозией понимается взаимодействие металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала. Скорость разрушения металлов подверженных коррозии конструкций может достигать десятков миллиметров в год, что для рельсового пути является ощутимыми, но не столь критическими повреждениями из-за большой толщины стали, но тем не менее снижает срок его службы. Различные же городские коммуникации, трубопроводы, к примеру, страдают от этого явления значительно сильнее. Из-за относительно небольшой толщины их стенок, при длительном воздействии блуждающих токов они постепенно разрушаются, что способно привести к их пробою.
В связи со столь серьезными последствиями воздействия блуждающих токов на железных дорогах применяют различные меры защиты. К ним относятся снижение продольного омического сопротивления рельсового пути с целью уменьшения ответвляющегося от рельс тока, отсасывающие линии, по которым часть тока возвращаются в шины подстанций в обход рельсовой сети. Широкое распространение получили катодные станции, используемые для создания постоянного электрического тока между анодным заземлителем и подземным сооружением. Катодная защита — электрическая защита металлических подземных сооружений от почвенной коррозии, вызываемой блуждающими токами, основанная на катодной поляризации сооружения от внешнего источника (катодной станции) [3]. Катодная защита предполагает, что защищаемый объект в результате подачи на него электромагнитного поля приобретает отрицательный потенциал — превращается в катод, чтобы избежать «вымывания» атомов металла в анодной зоне.
Антикоррозионные системы такого типа должны иметь среду с высокой проводимостью. Например, при обустройстве подземных трубопроводов такой средой является грунт. Контакт электродов обеспечивают элементы из металлов и сплавов, проводящие ток. Разница потенциалов, возникающая между средой и защищаемым от коррозии элементом, позволяет ощутимо снизить скорость коррозирования металла.
Ввиду большого количества подверженных электрокоррозии объектов, как относящихся к железнодорожной инфраструктуре, так и сторонних металлоконструкций, применяемые катодные станции должны обладать значительной степенью автономности и универсальности. Примером такого устройства является автоматическая катодная станция, представленная в патенте RU 2102532 C1 (МПК: C23 13/22) [4] Палашова В. В. от 1998.01.20.
Как указано в этом техническом предложении, данное изобретение относится к оборудованию для защиты от коррозии подземных и подводных металлических конструкций и может быть использовано не только для защиты от коррозии газопроводов, водопроводов, кабелей связи, нефтепроводов, но и для защиты от коррозии наружной обшивки кораблей, балластных танков, морских и речных буев, пирсов, опор мостов, шпунтовых стенок и т. п.
Рис. 2. Схема автоматической катодной станции
При включении в сеть регулятора напряжения 1 регулируемое напряжение поступает на понижающий трансформатор 2, который понижает и гальванически развязывает напряжение от сети. Выпрямительный мост Греца 3, принимая гальванически развязанное пониженное и регулируемое напряжение, преобразует его в двухполупериодное выпрямленное и подает на измерительный элемент, выполненный в виде уравновешенного моста 4, состоящего из сопротивлений R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R г . Мост уравновешен при эффективной катодной защите с участием сопротивления грунта. Сигнал с уравновешенного моста 4 поступает на блок сравнения 5 только в том случае, когда уравновешенный мост оказывается разбалансированным, а это произойдет только под воздействием измерения сопротивления грунта R г независимо от того, чем оно вызвано (грунтовыми, атмосферными, тепловыми, световыми, подводными или иными возмущающими факторами). Одно плечо измерительного моста включено последовательно в цепь анодного заземления, другое параллельно нагрузке (или сопротивлению грунта, совместно с которым и образуется уравновешенный мост). Два остальных плеча соединены последовательно между собой и шунтируют выход выпрямительного моста, плюсовая клемма которого подключена кабелем к анодному заземлению 9, а минусовая клемма подключена к защищаемому сооружению 8.
Сигнал на выходе измерительного моста оказывается согласованным с величиной сопротивления грунта, т. е. при его уменьшении сигнал возрастает, при увеличении уменьшается. Таким образом, любое изменение сопротивления грунта в цепи катодной защиты, шунтирующее одно из плеч измерительного моста 4, вызывает его разбаланс. При разбалансе моста сигнал поступает на блок сравнения 5 через усилитель 6, блок управления тиристорами 7, который вводит регулятор напряжения 1 в требуемый режим.
Таким образом, любое изменение сопротивления грунта в цепи катодной защиты, шунтирующее одно из плеч уравновешенного моста, вызывает на его выходе сигнал, который приводит к изменению тока базы, вследствие чего изменяется сопротивление усилительного триода, вызывающее смешение управляющих импульсов по фазе. При уменьшении сопротивления грунта выходной сигнал измерительного моста увеличивается, угол включения тиристоров увеличивается, выходное напряжение катодной станции увеличивается. И наоборот, при увеличении сопротивления грунта сигнал измерительного моста уменьшается, угол включения тиристоров уменьшается, выходное напряжение станции уменьшается. Так, в зависимости от сопротивления грунта катодная станция работает в автоматическом режиме.
Резюмируя выше сказанное, можно заключить, что блуждающие токи в нынешних условиях являются серьезной проблемой как для самих тяговых сетей, так и для окружающих ее объектов городской инфраструктуры, трубопроводов, кабельных линий. В связи с этим системы защиты от данного явления постоянно развиваются и совершенствуются.
Литература:
- ГОСТ 32895–2014 «Электрификация и электроснабжение железных дорог».
- ГОСТ 5272–68 «Коррозия металлов»
- ЦЭ-518 от 09.10.1997 «Инструкция по защите железнодорожных подземных сооружений от коррозии блуждающими токами»
- Патент RU 2102532 C1 «Автоматическая катодная станция» Палашов В. В., 1998 (МПК: C23 13/22)
