К вопросу о блуждающих токах при эксплуатации электрифицированного рельсового транспорта

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98

Ю.Д. Глухарев, М.Н. Гладков,

Московский государственный горный университет

К ВОПРОСУ О БЛУЖДАЮЩИХ ТОКАХ ПРИ Эксплуатаций ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА

Опыт эксплуатации различных промышленных объектов вне и в черте города показывает, что постоянно существует связь - взаимодействие между разного рода объектами, и часто, неблагоприятная. Например, если рассмотреть город в целом, то его можно охарактеризовать как нечто, имеющее множество коммуникационных, транспортных, строительных и других сетей, бесконечными пересечениями связанных между собой. В последнее время заговорили о необходимости повышения экологического уровня в городе, обращая главное внимание на выделение токсичных газов автомобильным транспортом.

Этим вызвано стремление перейти к наиболее массовому использованию электрифицированного транспорта (метро, троллейбус, трамвай и даже скоростной). Однако забывают о другой экологической опасности, вызываемой таким видом транспорта.

Электрифицированный рельсовый транспорт является косвенной причиной экологических аварий. Речь идет главным образом о паразитном воздействии блуждающих токов в земле, основным источником которых являются рельсы трамваев, метро, железных дорог. Например, в случае коррозионного повреждения участка газопровода этими то-ками естественно не исключена возможность утечки газа, результатом чего, как правило, бывают его взрывы. К подобным последствиям приводит и влияние блуждающих токов на средства инициирования взрыва (на электродетонаторы при взрывных работах). Нет необходимости в этом случае говорить о последствиях экономического ха-рактера, а тем более о здоровье и жизни людей. Если посмотреть на «паразитное» воздействие блуждающих токов в

целом, то можно отметить последствия их косвенного влияния: ослабление и разрушение различных металлоконструкций, сооружений, зданий; нарушение нормальной работы подземных коммуникационных сетей, утечки газа, воды, нефтепродуктов, результатом чего являются аварии и катастрофы (взрывы, пожары, загрязнение окружающей среды и др.). Блуждающие токи также наводят определенные помехи в электрических цепях, средствах связи и т.п.

Главное внимание специалистов по борьбе с блуждающими токами было обращено на источники постоянного тока. При этом считается, что индуцированный переменный ток не создает всей остроты актуальности проблемы коррозии в сравнении с блуждающими токами, вызванными последними (за исключением их воздействия на алюминиевые конструкции) [1]. Согласно статистики в 1987 году в некоторых зарубежных странах, как Швейцария, ФРГ, США вызвало беспокойство достаточно сильное коррозионное воздействие индуцированного переменного блуждающего тока на сети газопровода [2]. В результате Европейская комиссия по исследованию коррозии трубопроводов и защите от коррозии CEOСOR разработала и ввела программу исследований, одной из целей которой является изучение данной проблемы применительно к почвам различных областей Европы. Необходимо отметить, что в качестве источника индуцированного блуждающего тока могут служить наряду с железными дорогами и линии электропередачи (электростатические наводки) [3].

На сегодняшний день в научной литературе по тематике блуж-

дающих токов можно найти достаточное количество накопленного материала по их изучению, ограничению и борьбе с ними. При этом мож-но придерживаться классической схемы при рассмотрении средств защиты, разделяя их на пассивные и активные. Обычно, исходя из технологической и экономической целесообразности, прибегают к то-му или иному виду защиты. Пассивная защита, как правило, предусмотрена технологическим процессом (изоляцион-ные материалы и т.п.) и является обязательной в отличие от активной защиты, которая применяется в зонах максимальных опасностей, например, в местах с агрессивной коррозийной обстановкой. Здесь надо отметить несоответствие схем защит в плане различия защищаемых объектов. Ясно, что средства ограничения и борьбы с коррозионными процессами (имеется в виду активная защита) не могут решить вопроса опасности преждевременных взрывов электродетонаторов и т.п. Это можно подтвердить тем, что при разработке критериев защиты от преждевременных взрывов акцент делается не на средние, а на мгновенные значения блуждающих токов, амплитуда которых имеет широкие пределы. Поэтому в последнем случае известны главным образом средства пассивной защиты, комплекс мероприятий по уменьшению вероятности опасного воздействия блуждающих токов на электровзрывные цепи [4,5].

Упомянутые выше защитные мероприятия (при ведении взрывных работ) частично соприкасаются с видами пассивной защиты от коррозии металлов: увеличение проводимости рельсовых путей, улучшение изоляции токоведущих рельсов, контроль изоляции за-

щищаемых объектов. Сюда же можно отнести и изолированные покрытия, использование труб из непроводящих материалов, продольное электрическое секционирование труб - несварное их соединение; разумное и рациональное расположение различных металлических объектов по отношению к источникам блуждающих токов, а также между собой и др.

Описанный комплекс мероприятий относится больше к антикоррозийной защите, однако косвенно касается и электровзрывной защиты, поско-льку последняя зависит и от проводимости среды, определяющей величину блуждающего тока. Для антикоррозийной защиты описанные выше методы, по-видимому, себя оправдывают с точки зрения экономического аспекта в стадии проектирования и начальной стадии эксплуатации. Больших финансовых затрат требует, например, перекладка трубопровода, устранение раз-личных его дефектов и повреждений, нанесение новых изоляционных покрытий, пробле-ма старения которых остается актуальной. В результате разрушения защитных слоев метал-лообъектов нарушается и работа второго рода защитных антикоррозийных средств, т.е. активной защиты (электрический дренаж, катодная защита, усиленная дренажная защита, дренажнокатодная защита и т.д.). Принципиальной основой работы установок активной защиты является катодная поляризация, т.е. смещение потенциала защищаемого сооружения в отрицательную область защитным током.

Вид активной защиты в каждом случае выбирается исходя из коррозийной активности защищаемой зоны, экономической эффективности, возможности ее реализации на конкретном объекте и др. Например, для противокоррозионной защиты железобетонных конструкций (здания, мосты, платформы и т.д.) рекомендуют использовать наиболее известную катодную защиту [8]. Но катодная защита не всегда результативна, особенно при протяженных объек-

тах, что подтверждают сообщения об авариях на нефтегазопроводах, вызванных коррозией металлов. Такое положение требует совершенствования и применения дополнительных средств защиты от коррозии металлов по всей длине объекта. К примеру, предлагается использовать катодную защиту не в классическом ее варианте, а в виде кабеля из электропроводящего полимерного материала, заглубляемого в грунт параллельно трубопроводу. По статистическим данным использование такого защитного средства как по качеству защиты (равномерное распределение защитного тока и высокая эффективность), так и в экономическом плане - предпочтительнее. Защита таким способом оценивается примерно в четыре раза дешевле, чем затраты на нанесение новых антикоррозийных покрытий [9]. Здесь же также пытаются решить проблему, связанную с катодными защитами, - это создание подходящего защитного потенциала. Речь идет о таких понятиях, как недозащита и перезащи-та, что, к сожалению, имеет место. Так, в случае перезащиты, защитный ток усиливает почвенную коррозию, происходит водородное охрупчивание стали, отслаивание защитного покрытия. При недо-защите, в результате которой величина тока не обеспечивает защитные функции, т.е. не выполняется основная функция защитного устройства, что создает благоприятные условия для развития коррозионного растрескивания под напряжением.

Таким образом, основной упор делается не на создание новых устройств электрохимической защиты, а на более глубокое изучение уже существующих. Вот, к примеру, су-ществует мнение, а точнее про-водились исследования, в частности в Германии, по изучению влияния магнитного поля Земли на работу катодных защит. Было экспериментально доказано, что колебание магнитного поля оказывает отрицательное действие на настройку аппаратуры защиты. Уже сегодня можно увидеть ответную реакцию - предла-

гается методика проведения электрических измерений, позволяющих исключить влияние магнитного поля Земли на настройку катодной станции [6,10]. Инжене-ры-коррозионисты предлагают методики обеспечения наилучшей работы известных защитных устройств, методики определения коррозийной опасности блуждающими токами, скорости коррози-рования, наиболее глубокого рассмотрения процессов, связанных с коррозией металлов, с самой защитой и, наконец, с внешним влиянием. При этом не забывают о вопросах, связанных с поддержанием эффективности этой защиты на необходимом уров-не, с поисками наиболее надежного контроля ее работы.

Привлекает внимание еще один вид катодной защиты стальных сооружений от коррозии прерывистым током. Этот способ был предложен советскими учеными еще в 1949 году. Одним из положительных, приписываемых качеств этой защиты являлся экономический эффект. Сегодня о ней говорят как о представляющей интерес не только в экономическом плане, но и в плане достижения большой эффективности защиты. Например, пульсирующий катодный ток обладает большей микропроникающей способностью, чем постоянный; это, в свою очередь, дает возможность проникать защитному току наиболее быстро и глубоко в щель металла и тем самым повышать антикоррозийную его способность.[11].

Известны и другие системы активной защиты, применяемые для ограничения воздействий блуждающих токов на металлообъекты. Это прежде всего различные виды дренажей (прямой, поляризованный, усиленный), действие которых основано на создании искусственного электрического отвода опасных токов с защищаемых объектов в точки наиболее отрицательного потенциала источников блуждающих токов. Различие между видами дренажей можно заключить из их названий. Прямой электрический дренаж практически мало применим в настоя-

щее время, несмотря, казалось бы, на свою простоту: кабель, подсоединенный между защищаемым объектом и источником блуждающих токов. Получили большее применение ряд схем с поляризованным (направлен-ным) дренажом, а также с его усиленным вариантом (с дополнительным источником то-ка). Однако их применение на практике связано с рядом тру-дностей: подключение

данной защиты непосредственно к рельсовым цепям, либо к средним точкам путевых дросселей вызывает нарушение нормаль-ной работы рельсовых цепей, сетей центральной блокировки. Кроме того, оказывается разрушающее воздействие на рельсы электрифицированного транспорта, являющиеся в этом случае защитным растворимым анодом. Поэтому часто невозможно получить разрешение на установку дренажного оборудования как раз по вышеприведенным причинам [7].

Первую проблему попытались решить с помощью введения в цепь защиты сглаживающих

фильтров (на основе индуктивных катушек и конденсаторов), действие которых направлено на снижение влияния токовых гармоник дренажных установок на железнодорожные сигнальные цепи. Кроме того, для их достаточно стабильной работы во ВНИИЖТе были разработаны устройства контроля гармоник тока усиленного дренажа [1]. Представляет особый интерес экранирование блуждающих токов. С понятием «экрана» мы встречаемся прежде всего при рассмотрении блуждающих токов в системе метрополитенов. Экран, образованный сплошным кольцом тюбинговой обделки тоннелей, дает малую возможность токам утечки из рельсов проникать в окружающее почвенное пространство. В связи с этим отмечают наименьшее влияние метрополитенов на коррозионное состояние подземных городских коммуникаций. Однако, возникает проблема защиты самих тюбинго-

вых обделок и других металлоконструкций метрополитена от влияния блуждающих токов. Причем, эта защита от внутреннего влияния имеет особенности (расположение источника блуждающих токов по отношению к обделке и др.), что вызывает трудности в использовании классических схем защиты, например дренажных установок [1]. Использование экранирования в условиях города для защиты подземного пространства (подземных коммуникаций и металлоконструкций, заземлителей, кабелей и других инженерных сетей) предлагается в качестве наиболее простого решения. Данное мероприятие позволяет уменьшить распространение блуждающих токов в земле за счет создания искусственных условий (путей наименьшего сопротивления), и направить токи утечки в ну-жное направление. Схему такой защиты можно представить в следующем виде: трубопроводы, проложенные вдоль рельсов, соединяют накоротко между собой; к ним подключают через определенную длину заземлительные устройства; кроме того, трубопроводы соединяются с рельсами через поляризованные элементы. Таким образом, создается искусственный экран, который практически не пропускает токи утечки за зону своего действия. Как считает автор такой работы [7] - в этом случае отпадает необходимость как в сложных и дорогостоящих изыскательских работах по определению опасных коррозионных зон, так и значительно упрощается сам расчет защитных средств.

Подводя итоги выполненного обзорного анализа, отметим следующие моменты: при проектировании и установке какого-либо защитного устройства возникает необходимость технологического и экономического обоснования для защиты определенной зоны или объекта; возникает потребность в разработке новых средств универсальной защиты, которые удовле-

творяли бы всем условиям их применения, в том числе и экономическим; возникает необходимость в расширении области знаний по данному вопросу (блуждающих токов и т.п.); выполненный обзорный анализ позволяет предложить классификацию

средств, способов и мероприятий, направленных на обеспечение, защиты различных объектов от влияния блуждающих токов при эксплуатации электрифицированного транспорта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Котельников А.В. Блуждающие токи электрифицированного транспорта. - М.: Транспорт,1986.

2. Schaden an Pipelines. /Stalder F.//Schweiz. Ing/ and Archit. -1997 -115, №5. - P. 19-22. - Англ.

3. Палашов В.В. Расчет полноты катодной защиты. - Л.: Недра, 1988.

4. Либерман Л.Д. Определение опасной зоны блуждающих токов на горных предприятиях и защита электродетонаторов от преждевременных взрывов. Дис.канд.-М.: МГИ, 1969.

5. Петров Ю.С. Исследование

блуждающих токов на гор-ных предприятиях и безопасных параметров электродетонаторов: Дис.канд.

-М.МГИ, 1971.

6. Влияние поля Земли на измерения постоянного тока в подземных трубопроводах./ Р.М. Джала, Л.П. Дикмарова, В.Ю Корниенко.// Измерит. техн. - 1995. -.№ 7. -С. 42-44. -Рус.; рез. Англ.

7. Бутырский А.П.. Опыт защиты подземных сооружений от коррозии. -Уфа: Башк. кн. изд-во, 1988.

8. Cathodk protection - what is it and why we use it?

/Brommfield J. //Corros. Manag. -1995. - Febrary/ March. - P.7-9 -Англ.

9. Deteriorating coating protected by new cable// Pipeline and Cas J. - 1993.

- Vol.220, №3. - P. 21-24.

10. Einflub erdmagnetischer Variationen // 3R Int. - 1995. - 34, №3.

- P. 252. - Нем.

11. Cathodic protection of mitigate external corrosion of underground steel pipe bencath disbouded coating. / Gan F., Sun Z. - W.,Sable G., Chin D. - T // Corrosion (USA). - 1994. - 50, №10. -P. 804-816. - Англ.

© Ю.Д. Глухарев, М.Н. Гладков