Лекция 6. ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ ТЯГОВОЙ СЕТИ

6.1. Особенности гальванического влияния

Закономерности гальванического влияния существенно отличаются от закономерностей электрического и магнитного влияний. Наиболее существенные отличия заключаются в следующем.

1. Гальваническому влиянию подвержены смежные линии, имеющие заземления (однопроводные цепи, проложенные в земле металлические сооружения и коммуникации, кабели). Очевидно, что для проявления влияния необходимо либо минимум две точки заземления, либо гальванический контакт с рельсом и минимум одна точка заземления.

2. Гальваническое влияние вызывается так называемыми блуждающими токами, возникающими вследствие утечки тока из рельсов в землю. Потенциалы отдельных точек земли зависят при этом от тока в контактной сети, сопротивления рельсов, переходного сопротивления рельсы - земля, удельной проводимости земли. Из-за неоднородности земли и изменения тока в рельсах потенциалы точек земли вблизи рельсов изменяются нерегулярно во времени и по поверхности земли.

Рис. 17

3. Наибольшая величина напряжения при гальваническом влиянии наводится при расположении смежной линии перпендикулярно к оси железной дороги и в случае, когда один из заземлителей однопроводной линии находится в удаленной точке земли с нулевым потенциалом (рис. 17).

4. Оценку величины U_г в зависимости от ширины сближения, проводимости земли и глубины заземлителя для тока контактной сети 1000 А можно провести по графикам "Правил защиты..." [1,2]. Расчеты проводят для двух режимов работы тяговой сети: короткого замыкания и вынужденном. При переменном токе с гальваническим влиянием можно не считаться, если удельная проводимость земли более 0.1 См/м, а также при наличии в тяговой сети отсасывающих трансформаторов.

5. При электрификации на постоянном токе основную опасность гальванического влияния составляет электрокоррозия подземных сооружений.

В связи с указанной спецификой гальванического влияния в данном разделе будет рассматриваться влияние тяговой сети постоянного тока.

6.2. Качественная картина влияния блуждающих токов на подземные сооружения

Анализ закономерностей гальванического влияния сильно усложняется неоднородностью структуры земли, поэтому далее представлены лишь самые общие закономерности гальванического влияния на подземную коммуникацию, расположенную параллельно оси железной дороги. Качественная картина влияния рассмотрена на простейшей схеме рис. 18а, где представлены тяговая подстанция постоянного тока и один электровоз. Буквой Р обозначены рельсы, К - коммуникация (кабель или трубопровод), стрелками показаны пути протекания тока, расстояние между подстанцией и нагрузкой - l. Попробуем проследить процессы в этой системе с точки зрения возможной электрокоррозии.

В системе есть некоторое падение напряжения на контактной сети и в рельсах (вместе с землей), а в основном напряжение подстанции падает на электровозе. Из-за протекания тока в рельсах и в земле нулевой потенциал (соответствующий потенциалу удаленной земли) находится где-то посередине между подстанцией и электровозом, в точке заземления подстанции потенциал отрицателен, а у электровоза - положителен. На рис. 18б показано распределение потенциала по координате, отсчитываемой от тяговой подстанции, для рельса φ_р и для земли под рельсом φ_з. За счет разности этих потенциалов ток с рельсов стекает в землю, убывая при уменьшении расстояния от подстанции до точки наблюдения вплоть до середины участка, а затем снова подрастая за счет подтекающего из земли тока (рис. 18в). Направление тока в рельсах вне участка подстанция - электровоз меняется на противоположное, в отличие от тока через поперечное сечение земли, который течет все время в одну сторону и увеличивается при уменьшении тока в рельсах (рис. 18г). Подтекающий к подстанции из рельсов с двух сторон ток (или стекающий в рельсы от электровоза) равен току в контактной сети I, а ток в земле равен разности токов контактной сети и рельса, I_з I - I_р .

Картина распределения потенциалов подземной коммуникации и земли вблизи нее (рис. 18д) повторяет в сглаженном виде распределение потенциала рельсов (причем с углублением в землю потенциалы уменьшаются), а разность потенциалов земля - коммуникация обусловливает втекающий в коммуникацию ток. На рис. 18е показано распределение тока утечки с подземной коммуникации, причем I_1ут - это ток, стекающий с 1 км длины коммуникации в землю. Соответственно по поперечному сечению коммуникации течет ток, распределение которого показано на рис. 18ж.

Рис. 18

Рис. 18е разбивает подземную коммуникацию на две зоны. Первая из них - зона входа тока в коммуникацию (ток утечки отрицателен). Она называется катодной зоной, поскольку потенциал коммуникации относительно окружающей земли здесь отрицателен; лежит эта зона вблизи электровоза. Вторая зона, называемая анодной зоной - это зона выхода тока из коммуникации, она лежит вблизи подстанции. Как видно, наибольшая плотность токов утечки наблюдается в точке наибольшего по модулю потенциала рельсов, и анодные зоны подземных сооружений расположены напротив катодных зон рельсового пути и наоборот.

Почва, в которой прокладываются коммуникации, с электрической точки зрения представляет собою электролит, в котором переносчиками электрического заряда при протекании тока служат ионы. В электролите металлический анод подвергается интенсивной электрокоррозии, причем убыль металла согласно первому закону электролиза Фарадея пропорциональна величине стекающего с анода тока. При больших токах происходит разрушение и в катодных зонах. Эти зоны на железной дороге из-за перемещения электровозов постоянно перемещаются, поэтому выбор мероприятий по защите от электрокоррозии производится на основе выполненных на линии измерений.

6.3. Гальваническое влияние на опоры контактной сети

Хотя влияние блуждающих токов, как показано в предыдущем разделе, происходит на протяженные коммуникации, однако с эффектом электрокоррозии при электрификации на постоянном токе приходится считаться и для опор контактной сети. Возникающая проблема связана с необходимостью заземления металлических поддерживающих конструкций опоры на тяговые рельсы, поскольку в другом варианте возможное перекрытие изоляции контактной сети на опоре приведет к протеканию больших токов через самозаземление опоры. Эти токи еще не слишком велики, чтобы работала защита от коротких замыканий, но они очень быстро разрушат опору вплоть до ее падения. Заземляют опору обычно через искровые промежутки или защитные диоды (рис. 19). Необходимость установки последних и определяется тем, какая же зона преимущественно находится на рельсах - анодная или катодная. Заземлять арматуру опоры в катодной зоне можно прямо на рельс, а вот соединение на рельс в анодной зоне может привести к ускоренной коррозии арматуры опоры.

Искровые промежутки и защитные диоды иногда выходят из строя, причиной чего служат в основном перенапряжения в рельсах. В таких случаях возникают токи утечки, зависящие от напряжения рельс - земля и сопротивления опоры. При групповых заземлениях опор возникают перетоки между опорами. Чтобы установить необходимость монтажа искровых промежутков или защитных диодов, установить первоочередность контроля искровых промежутков и фундаментных частей опор, проводят соответствующие измерения на линии. Непосредственно ток утечки с опоры контролировать сложно, поэтому измеряют значения потенциалов рельс - земля в месте нахождения заземления и сопротивление опоры.

Сопротивление железобетонной опоры складывается из двух составляющих: это сопротивление верхнего пояса (поддерживающие конструкции - арматура) и сопротивление арматура - земля. Последнее не превышает 60 Ом, а чаще находится в пределах 10...30 Ом. Сопротивление верхнего пояса зависит от контакта между хомутом и арматурой.

Рис. 19

Измерение разности потенциалов производят вольтметром с большим внутренним сопротивлением и нулем посередине шкалы, с верхним пределом 50 - 100 В. Вторым электродом служит стальной штырь или неполяризующийся медно-сульфатный электрод. Второй электрод устанавливается в грунт в середине пролета между опорами в створе опор, а контакт с рельсом осуществляется установкой рельсового зажима на подошву или присоединением проводника непосредственно к стыковому соединителю. Измерения проводят не реже чем через 1 км.

В каждой точке измеряют напряжения при нормальной работе электротяги в течение не менее 5 мин со снятием показаний через 10 с, за период измерения должно пройти не менее одного поезда [12]. При обработке отделяют положительные и отрицательные величины потенциалов и вычисляют средние положительные и средние отрицательные величины потенциалов за период измерений, усредняя их по общему числу отсчетов. Разделив средний положительный потенциал на сопротивление опоры, определяют ток утечки с опоры при нарушении изоляции цепи заземления. Для железобетонных опор этот ток не должен превышать 40 мА.

Кроме потенциалов рельсов, дополнительно контролируют утечку тягового тока с рельсов, сопротивление рельсовых стыков, сопротивление заземления конструкций (не только опор), потенциалы подземных коммуникаций и другие параметры.