Блукаючі струми: що це, причина, як позбутися

Всім знайоме поняття електричного струму. Є провідник, по ньому рухаються заряджений частинки, на протилежних кінцях (або в двох довільних точках) виникає різниця потенціалів. Використання цього фізичного явища для організації електроживлення – безумовне благо цивілізації. З’являється можливість передавати електроенергію на значні відстані, приводити в рух механізми, отримувати тепло, зображення, звук, перетворювати електричну енергію в механічну.

А якщо рух заряджених частинок виникає в природному провіднику, наприклад – в грунті? Це явище називається «блукаючі струми». Їх поява не обіцяє нічого хорошого: виникає небезпека ураження електрострумом, руйнуються елементи металевих конструкцій, розташованих в землі. Крім того, на «забезпечення» блукаючих струмів витрачається певна кількість енергії. Тобто, виникає незапланований перевитрата.

Як виникає це явище

Розглянемо блукаючі струми на прикладі електрифікованої залізниці, під якою прокладено трубопровід.

Харчування електропоїзди здійснюється за допомогою двох контактних ліній: фазний провід – це контактна мережа, розташована на опорах-стовпах і підвішена на масивних ізоляторах. А нульовий “провід» – це рейки. На всьому шляху проходження розташовуються тягові підстанції, які працюють за однаковим принципом: нульовий потенціал з’єднаний з фізичної «землею» в якості заземлення (занулення).

Оскільки робоче заземлення в будь-якому випадку має фізичний контакт з грунтом, це абсолютно безпечно.

Для інформації:

Не слід плутати проходження віртуальної лінії провідника заземлення з кроковим напругою, що виникають через різницю потенціалів на невеликій ділянці. Точки різниці потенціалів в ситуації з блукаючими струмами рознесені на сотні метрів, а то і кілометри.

Між нульовим і фазним провідниками (рейки та контактний провід) протікає робочий електричний струм. Він штатно виникає при з’єднанні коліс з рейками і пантографа електровоза з контактною лінією. Оскільки рейки безпосередньо пов’язані з грунтом, можна припустити, що в землі також виникає потенціал, рівний потенціалу нульового провідника. Якщо він однаковий на всьому протязі рейкового шляху – немає проблем, це нормальна і безпечна ситуація. Але залізниця рідко прокладається по прямій. Крім того, електричний зв’язок між фізичною землею і металом ж / д шляху не завжди стабільна. Виходить, що від однієї тягової підстанції до поруч стоїть (кілька десятків кілометрів) електричний струм може протікати як по рейці, так і по грунту. Тобто, електрони можуть блукати по найкоротшому шляху.

Згадуємо про кривизну ж / д шляху, і отримуємо ті самі блукаючі струми, що протікають в товщі грунту.

А якщо в цьому місці прокладено комунікації (наприклад, сталевий трубопровід), то електрони протікають по його стінках (дивитися ілюстрацію).

де проблема

За аналогією зі звичайними електричними процесами, виникає електрохімічна реакція. Блукаючий ток прагне по шляху найменшого опору (ми ж розуміємо, що грунт в порівняння з металевою трубою є гіршим провідником). У тому місці, де провідність між рейками і трубопроводом найвища (мокра земля, залозистий грунт, і інші причини), виникає так звана катодна зона з точки зору трубопроводу. Електричний струм як би «затікає» в трубу. Поки що це не небезпечно: трубопровід розташований в грунті, різниці потенціалів немає, у вас з крана не потече вода під напругою 3000 вольт.

Пройшовши по трубі до сприятливого місця перетікання в рейки, електрони спрямовуються по грунту в сторону «штатного» провідника. Виникає анодная зона, електрострум «випливає» з труби, прихоплюючи за собою частинки металу (на молекулярному рівні).

За всіма законами протікання електрохімічних процесів, на цій ділянці інтенсивно розвивається корозія. Водопровідники дивуються: труба з якісної сталі, пройшла всі можливі антикорозійні обробки, покладена згідно з технічними умовами, термін експлуатації мінімум 50 років. І раптом прорив і проржавіла дірка розміром з долоню. І це все за якихось пару років. Причому електрохімічної корозії піддається будь-який метал, будь то сталь, мідь або алюміній.

Ніякого зв’язку з вологістю ґрунту немає, хіба що блукаючі струми вибирають «мокре місце» для формування анодної і катодної зони. Це страшний сон аварійних бригад водоканалу. Якщо не погоджувати проекти між галузевими відомствами – проблема стає неконтрольованою.

Побічний ефект, що збільшують втрати

Навпаки катодного зони «жертви», тобто трубопроводу, виникає анодная зона рейкового шляху. Це логічно: якщо електрострум кудись входить, він повинен звідкись виходити, точніше витікати. Це найближчим з точки зору електропровідності грунту місце, де рейок має електричний контакт з фізичної землею (ґрунтом). У цій точці відбуваються аналогічні електрохімічні руйнування металу залізничного полотна. А ось це вже проблема, пов’язана з безпекою людей.

До речі, ця ситуація характерна не тільки для магістральних залізниць і трубопроводів. Та й прокладаються вони не завжди паралельно один одному. А ось в місті, де поруч з численними підземними комунікаціями проходять трамвайні колії, виникає така кількість різноспрямованих блукаючих струмів, що час задуматися про комплексні заходи захисту.

На прикладі залізниці, ми розібрали принцип негативного впливу паразитних струмів. Ці процеси запрограмовані (якщо можна так сказати) самою конструкцією,

А де ще існує «блукаюча» проблема

Там, де генерується електроенергія (що досить логічно). Зрозуміло, в цю «групу ризику» входять не тільки електростанції. Там більше, що на таких об’єктах подібних проблем практично не існує. Блукаючі струми виникають на шляху проходження електроенергії до споживача. Точніше, в точках перетворення напруги: в зонах дії трансформаторних підстанцій.

Нам вже зрозуміло, що для появи цих самих паразитних струмів необхідна різниця потенціалів. Уявімо типову трансформаторну підстанцію, в якій застосовується система заземлення TN-C. При ізольованій нейтралі, заземлюючі контури з’єднані між собою нульовим провідником, що позначається абревіатурою PEN.

Виходить, що з цього провідника протікає робочий струм всіх споживачів на лінії, з одночасним їх заземленням. Ця лінія (PEN) має власний опір, відповідно в різних її точках відбувається падіння напруги.

PEN (він же заземлювальний провідник) отримує банальну різницю потенціалів між найближчими контурами заземлення. Виникає «неврахований» струм, який за описаним вище принципом протікає і по фізичній землі, тобто в грунті. Якщо на його шляху з’являється попутний металевий провідник, блукаючий струм поводиться так само точно, як в трубі під залізничним полотном. Тобто, в анодному зоні руйнує метал провідника (трубопровід, арматура залізобетонних конструкцій, оболонка кабелю), а в катодного зоні знищує PEN-провідник.

пробій ізоляції

Ситуація з порушенням ізолюючої оболонки кабелю може виникнути де завгодно. Питання в тому, які будуть наслідки.

Припустимо витік фази в грунт на значній відстані від робочого контуру заземлення. Якщо сила струму досить велика (точка пробою великої площі), створені «сприятливі» умови: вологий грунт, і інше – досить швидко спрацює захисна автоматика, і лінія буде відключена. А якщо сила струму менше, ніж струм «відсічення» автомата? Тоді між «плямою» витоку і «землею» виникають довгограючі блукаючі струми. А далі ви знаєте: попутний трубопровід, кабель в металевій оболонці, анодная зона, електрохімічна корозія …

Власне, група ризику визначена:

  • Трубопроводи з металевими стінками. Це може бути вода, каналізація, нафто- чи газопроводи.
  • Кабельні лінії (силові, сигнальні, інформаційні) з металевою оболонкою.
  • Металева арматура в конструкціях доріг або будівель.
  • Габаритні суцільнометалеві споруди. Наприклад, ємність (танк) для зберігання нафтопродуктів.

Захист від блукаючих струмів

Насправді, повноцінного захисту від цієї проблеми немає. Її просто не може бути з точки зору фізики. Єдиний дієвий метод – підсунути усепожираючим блукаючих струмів іншу жертву, яку не так шкода. Мало того, у цього пристосування і назва відповідне: «жертовний анод». А методика іменується катодного захистом.

Принцип роботи у виключенні анодних зон на об’єкті, що підлягає. Замість них використовуються ті самі жертовні аноди, які змінюють у міру їх електрохімічного руйнування. А навколо об’єкта формуються лише безпечні для нього катодні зони.

Для того, щоб система функціонувала, потрібна додаткова енергія. У критичних місцях встановлюються так звані станції катодного захисту, які запитані від ліній електропередач.

Це пов’язано з деякими витратами, які можна порівняти з втратами на ремонт і відновлення зіпсованих об’єктів (трубопроводу, кабелю та іншого).

А якщо об’єкт, що захищається відноситься до небезпечної категорії (наприклад, нафтосховище, в якому в результаті електрохімічної корозії може статися витік продукту), то вартість захисних пристроїв взагалі не береться до уваги.

Недоліки систем катодного захисту

Методика аж ніяк не універсальна, необхідно будувати кожен об’єкт під конкретні умови експлуатації. При неправильних розрахунках сили захисного струму, відбувається так звана «перезахист», і вже катодний станція є джерелом блукаючих струмів. Тому, навіть після монтажу і введення в лад, катодні системи постійно контролюються. Для цього в різних точках монтуються спеціальні колодязі для виміру сили струму захисту.

Контроль може бути ручним або автоматичним. В останньому випадку встановлюється система стеження за параметрами, поєднана з апаратурою управління катодного станцією.

Додаткові способи захисту від блукаючих струмів

  • Застосування кабельних магістралей з зовнішньою оболонкою, яка є хорошим діелектриком. Наприклад, із зшитого поліетилену.
  • При проектуванні систем енергопостачання, використовувати тільки системи заземлення типу TN-S. У разі капітального ремонту мереж, замінювати застарілу систему TN-C.
  • При розрахунку маршрутів залізничних шляхів і підземних комунікацій, по можливості розносити ці об’єкти.
  • Використовувати під рейками ізолюючі насипу, з матеріалів з мінімальною електропровідністю.

Ссылка на основную публикацию