Всем известно понятие об электрическом токе. Есть проводник, по нему движутся заряженные частицы, на противоположных концах (или в двух произвольных точках) возникает разность потенциалов. Использование этого физического явления для организации питания – безусловное благо цивилизации. Становится возможным передавать электричество на значительные расстояния, приводить в движение механизмы, получать тепло, изображения, звуки и преобразовывать электрическую энергию в механическую.
Что, если движение заряженных частиц происходит в естественном проводнике, например в земле? Это явление называется «блуждающими токами». Их появление не сулит ничего хорошего – есть опасность поражения электрическим током, элементы металлических конструкций, расположенные в земле, разрушаются. Также определенное количество энергии тратится на «подачу» блуждающих токов. То есть происходит незапланированный перерасход.
Как возникает это явление
Рассмотрим блуждающие токи на примере электрифицированной железной дороги, по которой проложен трубопровод.
Электропоезд питается от двух контактных линий: фазный провод представляет собой сеть контактов, размещенных на опорах и подвешенных на массивных изоляторах. А «проволочным» нулем являются рельсы. На всем протяжении трассы расположены тяговые подстанции, которые работают по одному принципу: нулевой потенциал связан с физической «массой» в виде земли (заземления).
Поскольку рабочая площадка все равно находится в физическом контакте с землей, это абсолютно безопасно.
Для информации:
Не путайте прохождение виртуальной линии заземляющего проводника со ступенчатым напряжением, возникающим из-за разности потенциалов на небольшой площади. Точки разности потенциалов в ситуации с блуждающими токами разделены сотнями метров, а то и километрами.
Рабочий электрический ток протекает между нулевым и фазным проводниками (шинами и контактным проводом). Обычно это происходит, когда колеса соединяются с рельсами и пантографом электровоза контактной линией. Поскольку рельсы подключены непосредственно к земле, можно предположить, что существует также потенциал, равный потенциалу нейтрального проводника в земле. Если он одинаковый на всей длине трассы, нет проблем, это нормальная и безопасная ситуация. Но железная дорога редко проходит по прямой. Кроме того, электрическое соединение между физической землей и металлом железнодорожного полотна не всегда стабильно. Получается, что от одной тяговой подстанции к соседней (несколько десятков километров) электрический ток может течь как по трассе, так и по земле. То есть электроны могут блуждать по кратчайшему пути.
Мы запоминаем кривизну железнодорожного пути и получаем те же блуждающие токи, протекающие в земле.
И если в этом месте размещены коммуникации (например, стальной трубопровод), электроны текут по его стенкам (см. Иллюстрацию).
В чем проблема
По аналогии с обычными электрическими процессами происходит электрохимическая реакция. Блуждающий ток имеет тенденцию следовать по пути наименьшего сопротивления (подразумевается, что земля по сравнению с металлической трубой является наихудшим проводником). В месте максимальной проводимости между рельсами и трубопроводом (влажный грунт, железный грунт и другие причины) с точки зрения трубопровода образуется так называемая катодная зона. Кажется, что электрический ток «течет» по трубке. Это по-прежнему не опасно: трубопровод находится в земле, разницы потенциалов нет и из крана не будет выходить 3000 вольт воды.
Пройдя через трубку в удобное место перелива в дорожках, электроны устремляются по земле к «нормальному» проводнику. Возникает анодная зона, электрический ток «течет» из трубки, захватывая частицы металла (на молекулярном уровне).
По всем законам протекания электрохимических процессов в этой области интенсивно развивается коррозия. Сантехники недоумевают: труба сделана из качественной стали, прошла всевозможные антикоррозионные обработки, проложена по техническим условиям, срок службы не менее 50 лет. И вдруг прорыв и ржавая дыра размером с ладонь. И все это всего за пару лет. Кроме того, электрохимической коррозии подвержен любой металл, будь то сталь, медь или алюминий.
Связи с влажностью почвы нет, за исключением того, что блуждающие токи выбирают «влажное место» для образования анодной и катодной зон. Это страшный сон аварийных бригад водоканала. Если проекты не согласованы между отраслевыми ведомствами, проблема становится неконтролируемой.
Побочный эффект, усугубляющий потери
Перед катодной зоной «жертвы», т. Е. Трубопровода, находится анодная зона дорожки. Это логично: если электрический ток куда-то попадает, он должен куда-то выходить, а точнее, вытекать. Это ближайшая точка с точки зрения электропроводности земли, где рельс имеет электрический контакт с физической землей (землей). Здесь происходит аналогичное электрохимическое разрушение металла железной дороги. Но это уже проблема, связанная с безопасностью людей.
Кстати, такая ситуация характерна не только для крупных железных дорог и нефтепроводов. И не всегда они располагаются параллельно друг другу. Но в городе, где трамвайные пути проходят по многочисленным подземным коммуникациям, разнонаправленных блуждающих токов настолько много, что пора задуматься о комплексных мерах защиты.
На примере железной дороги мы проанализировали принцип отрицательного влияния вихревых токов. Эти процессы программируются (если можно так сказать) самой структурой,
Где еще проблема «блуждания
Где вырабатывается электричество (что вполне логично). Конечно, в эту «группу риска» входят не только электростанции. Более того, в таких конструкциях таких проблем практически нет. На пути электричества к потребителю возникают блуждающие токи. Точнее, в точках преобразования напряжения: в зонах эксплуатации трансформаторных подстанций.
Мы уже знаем, что для возникновения этих самых вихревых токов необходима разность потенциалов. Представим себе типичную трансформаторную подстанцию с системой заземления TN-C. При изолированной нейтрали цепи заземления соединяются между собой нейтральным проводом, обозначаемым аббревиатурой PEN.
Получается, что по этому проводнику течет рабочий ток всех потребителей на линии, с одновременным их заземлением. Эта линия (PEN) имеет собственное сопротивление, соответственно в разных ее точках происходит падение напряжения.
PEN (также известный как заземляющий провод) получает незначительную разницу потенциалов между ближайшими контурами заземления. Возникает «необъяснимый» ток, который по принципу, описанному выше, также течет через физическую землю, то есть в землю. Если на его пути появляется металлический проводник, паразитный ток ведет себя так же, как трубка под рельсом. То есть в районе анода он разрушает металл проводника (трубопровод, арматуру железобетонных конструкций, оболочку кабеля), а в районе катода – проводник PEN.
Нарушение изоляции
Ситуация с нарушением изоляционной оболочки кабеля может возникнуть где угодно. Вопрос в том, какие будут последствия.
Предположим обрыв фазы в земле на значительном удалении от рабочего заземляющего контура. Если сила тока достаточно велика (разрыв большой площади), создаются «благоприятные» условия: мокрая земля и т.д. – защитная автоматика сработает довольно быстро и линия отключится. Что делать, если сила тока меньше тока резки станка? Таким образом, между «точкой» потери и «землей» возникают длительные блуждающие токи. А потом знаете: сквозной канал, кабель в металлической оболочке, анодная зона, электрохимическая коррозия…
Фактически группа риска определяется:
- Цельнометаллические габаритные конструкции. Например, контейнер (цистерна) для хранения нефтепродуктов.
- Кабельные линии (силовые, сигнальные, информационные) в металлической оболочке.
- Трубопроводы с металлическими стенками. Это могут быть водопроводные, канализационные, нефте- или газопроводы.
- Металлическое армирование в дорожных или строительных конструкциях.
Защита от блуждающих токов
На самом деле полной защиты от этой проблемы нет. Это просто не может существовать с точки зрения физики. Единственный действенный метод – всунуть пожирающие блуждающие токи в другую жертву, что не так жалко. Также у этого устройства есть соответствующее название: «жертвенный анод». И эта техника называется катодной защитой.
Принцип работы заключается в исключении анодных зон на защищаемом объекте. Вместо этого используются те же расходуемые аноды, которые меняются при электрохимическом разрушении. А вокруг объекта формируются только безопасные для него катодные зоны.
Для работы системы требуется дополнительная энергия. В критических местах устанавливаются так называемые станции катодной защиты, питаемые от линий электропередачи.
Это связано с несравнимыми расходами с потерями на ремонт и восстановление поврежденных объектов (трубы, кабели и т.д.).
А если защищаемый объект относится к опасной категории (например, нефтехранилище, где возможны потери продукции из-за электрохимической коррозии), то стоимость защитных устройств вообще не учитывается.
Недостатки систем катодной защиты
Техника ни в коем случае не универсальна; каждый объект должен быть построен для конкретных условий эксплуатации. В случае некорректного расчета тока защиты происходит так называемая «сверхзащита» и катодная станция уже является источником паразитных токов. Поэтому даже после установки и ввода в эксплуатацию катодные системы постоянно контролируются. Для этого в нескольких местах монтируются специальные защитные гильзы для измерения защитного тока.
Управление может быть ручным или автоматическим. В последнем случае устанавливается система отслеживания параметров, подключенная к аппаратуре управления катодной станции.
Дополнительные методы защиты от блуждающих токов
- Используйте изолирующие прокладки под рельсы из материалов с минимальной электропроводностью.
- При проектировании энергосистем используйте только системы заземления TN-S. В случае капитального ремонта сетей замените устаревшую систему TN-C.
- Использование кабельных линий с хорошей диэлектрической оболочкой. Например XLPE.
- При расчете маршрутов железных дорог и подземных коммуникаций максимально разнесите эти объекты.
Похожие видео
