Каков верный способ уменьшения блуждающих токов

Блуждающие токи и способы борьбы с ними

Всем знакомо понятие электрического тока. Есть проводник, по нем движутся заряженный частицы, на противоположных концах (или в двух произвольных точках) возникает разность потенциалов. Использование этого физического явления для организации электропитания — безусловное благо цивилизации. Появляется возможность передавать электроэнергию на значительные расстояния, приводить в движение механизмы, получать тепло, изображение, звук, преобразовывать электрическую энергию в механическую.

А если движение заряженных частиц возникает в естественном проводнике, например — в грунте? Это явление называется «блуждающие токи». Их появление не сулит ничего хорошего: возникает опасность поражения электротоком, разрушаются элементы металлических конструкций, расположенных в земле. Кроме того, на «обеспечение» блуждающих токов тратится определенное количество энергии. То есть, возникает незапланированный перерасход.

Как возникает это явление

Рассмотрим блуждающие токи на примере электрифицированной железной дороги, под которой проложен трубопровод.

Питание электропоезда осуществляется с помощью двух контактных линий: фазный провод — это контактная сеть, расположенная на опорах-столбах и подвешенная на массивных изоляторах. А нулевой «провод» — это рельсы. На всем пути следования располагаются тяговые подстанции, которые работают по одинаковому принципу: нулевой потенциал соединен с физической «землей» в качестве заземления (зануления).

Поскольку рабочее заземление в любом случае имеет физический контакт с грунтом, это абсолютно безопасно.

Не следует путать прохождение виртуальной линии проводника заземления с шаговым напряжением, возникающим из-за разности потенциалов на небольшом участке. Точки разности потенциалов в ситуации с блуждающими токами разнесены на сотни метров, а то и километры.

Между нулевым и фазным проводниками (рельсы и контактный провод) протекает рабочий электрический ток. Он штатно возникает при соединении колес с рельсами и пантографа электровоза с контактной линией. Поскольку рельсы непосредственно связаны с грунтом, можно предположить, что в земле также возникает потенциал, равный потенциалу нулевого проводника. Если он одинаковый на всем протяжении рельсового пути – нет проблем, это нормальная и безопасная ситуация. Но железная дорога редко прокладывается по прямой. Кроме того, электрическая связь между физической землей и металлом ж/д пути не всегда стабильна. Получается, что от одной тяговой подстанции до рядом стоящей (несколько десятков километров) электрический ток может протекать как по рельсу, так и по грунту. То есть, электроны могут блуждать по кратчайшему пути.

Вспоминаем про кривизну ж/д пути, и получаем те самые блуждающие токи, протекающие в толще грунта.

А если в этом месте проложены коммуникации (например, стальной трубопровод), то электроны протекают по его стенкам (смотреть иллюстрацию).

Где проблема

По аналогии с обычными электрическими процессами, возникает электрохимическая реакция. Блуждающий ток стремится по пути наименьшего сопротивления (мы же понимаем, что грунт в сравнение с металлической трубой является худшим проводником). В том месте, где проводимость между рельсами и трубопроводом самая высокая (мокрая земля, железистый грунт, и другие причины), возникает так называемая катодная зона с точки зрения трубопровода. Электрический ток как бы «затекает» в трубу. Пока еще это не опасно: трубопровод расположен в грунте, разницы потенциалов нет, у вас из крана не потечет вода под напряжением 3000 вольт.

Пройдя по трубе до благоприятного места перетекания в рельсы, электроны устремляются по грунту в сторону «штатного» проводника. Возникает анодная зона, электроток «вытекает» из трубы, прихватывая за собой частички металла (на молекулярном уровне).

По всем законам протекания электрохимических процессов, на этом участке интенсивно развивается коррозия. Водопроводчики недоумевают: труба из качественной стали, прошла все возможные антикоррозийные обработки, уложена согласно техническим условиям, срок эксплуатации минимум 50 лет. И вдруг прорыв и проржавевшая дыра размером с ладонь. И это все за каких-то пару лет. Причем электрохимической коррозии подвергается любой металл, будь то сталь, медь или алюминий.

Никакой связи с влажностью почвы нет, разве что блуждающие токи выбирают «мокрое место» для формирования анодной и катодной зоны. Это страшный сон аварийных бригад водоканала. Если не согласовывать проекты между отраслевыми ведомствами — проблема становится неконтролируемой.

Побочный эффект, усугубляющий потери

Напротив катодной зоны «жертвы», то есть трубопровода, возникает анодная зона рельсового пути. Это логично: если электроток куда-то входит, он должен откуда-то выходить, точнее вытекать. Это ближайшее с точки зрения электропроводности грунта место, где рельс имеет электрический контакт с физической землей (грунтом). В этой точке происходят аналогичные электрохимические разрушения металла железнодорожного полотна. А вот это уже проблема, связанная с безопасностью людей.

Кстати, эта ситуация характерна не только для магистральных железных дорог и трубопроводов. Да и прокладываются они не всегда параллельно друг другу. А вот в городе, где рядом с многочисленными подземными коммуникациями проходят трамвайные пути, возникает такое количество разнонаправленных блуждающих токов, что впору задуматься о комплексных мерах защиты.

На примере железной дороги, мы разобрали принцип негативного влияния паразитных токов. Эти процессы запрограммированы (если можно так сказать) самой конструкцией,

А где еще существует «блуждающая» проблема

Там, где генерируется электрическая энергия (что довольно логично). Разумеется, в эту «группу риска» входят не только электростанции. Там более, что на таких объектах подобных проблем практически не существует. Блуждающие токи возникают на пути следования электроэнергии к потребителю. Точнее, в точках преобразования напряжения: в зонах действия трансформаторных подстанций.

Нам уже понятно, что для появления этих самых паразитных токов необходима разность потенциалов. Представим типовую трансформаторную подстанцию, в которой применяется система заземления TN-C. При изолированной нейтрали, заземляющие контуры соединены между собой нулевым проводником, обозначаемым аббревиатурой PEN.

Получается, что по этому проводнику протекает 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 (он же заземляющий проводник) получает банальную разность потенциалов между ближайшими контурами заземления. Возникает «неучтенный» ток, который по описанному выше принципу протекает и по физической земле, то есть в грунте. Если на его пути появляется попутный металлический проводник, блуждающий ток ведет себя так же точно, как в трубе под железнодорожным полотном. То есть, в анодной зоне разрушает металл проводника (трубопровод, арматура железобетонных конструкций, оболочка кабеля), а в катодной зоне уничтожает PEN-проводник.

Пробой изоляции

Ситуация с нарушением изолирующей оболочки кабеля может возникнуть где угодно. Вопрос в том, какие будут последствия.

Предположим утечку фазы в грунт на значительном расстоянии от рабочего контура заземления. Если сила тока достаточно большая (точка пробоя большой площади), созданы «благоприятные» условия: влажный грунт, и прочее — достаточно быстро сработает защитная автоматика, и линия будет отключена. А если сила тока меньше, чем ток «отсечки» автомата? Тогда между «пятном» утечки и «землей» возникают долгоиграющие блуждающие токи. А дальше вы знаете: попутный трубопровод, кабель в металлической оболочке, анодная зона, электрохимическая коррозия…

Собственно, группа риска определена:

• Трубопроводы с металлическими стенками. Это может быть вода, канализация, нефте- или газопроводы.
• Кабельные линии (силовые, сигнальные, информационные) с металлической оболочкой.
• Металлическая арматура в конструкциях дорог или зданий.
• Габаритные цельнометаллические сооружения. Например, емкость (танк) для хранения нефтепродуктов.

Защита от блуждающих токов

На самом деле, полноценной защиты от этой проблемы нет. Ее просто не может быть с точки зрения физики. Единственный действенный метод — подсунуть всепожирающим блуждающим токам иную жертву, которую не так жалко. Мало того, у этого приспособления и название соответствующее: «жертвенный анод». А методика именуется катодной защитой.

Принцип работы в исключении анодных зон на защищаемом объекте. Вместо них используются те самые жертвенные аноды, которые меняют по мере их электрохимического разрушения. А вокруг объекта формируются лишь безопасные для него катодные зоны.

Для того, чтобы система функционировала, требуется дополнительная энергия. В критических местах устанавливаются так называемые станции катодной защиты, которые запитаны от линий электропередач.

Это связано с некоторыми затратами, которые несравнимы с потерями на ремонт и восстановление испорченных объектов (трубопровода, кабеля и прочего).

А если защищаемый объект относится к опасной категории (например, нефтехранилище, в котором в результате электрохимической коррозии может произойти утечка продукта), то стоимость защитных устройств вообще не берется во внимание.

Недостатки систем катодной защиты

Методика отнюдь не универсальна, необходимо строить каждый объект под конкретные условия эксплуатации. При неправильных расчетах силы защитного тока, происходит так называемая «перезащита», и уже катодная станция является источником блуждающих токов. Поэтому, даже после монтажа и введения в строй, катодные системы постоянно контролируются. Для этого в разных точках монтируются специальные колодцы для замера силы тока защиты.

Контроль может быть ручным или автоматическим. В последнем случае устанавливается система слежения за параметрами, соединенная с аппаратурой управления катодной станцией.

Дополнительные способы защиты от блуждающих токов

• Применение кабельных магистралей с внешней оболочкой, которая является хорошим диэлектриком. Например, из сшитого полиэтилена.
• При проектировании систем энергоснабжения, использовать только системы заземления типа TN-S. В случае капитального ремонта сетей, заменять устаревшую систему TN-C.
• При расчете маршрутов железнодорожных путей и подземных коммуникаций, по возможности разносить эти объекты.
• Использовать под рельсами изолирующие насыпи, из материалов с минимальной электропроводностью.

Видео по теме

Источник

Что такое блуждающие токи и как от них избавиться

Современный человек постоянно имеет дело с устройствами, в той или иной форме использующими электрическую энергию в процессе своего функционирования. С её помощью решается ряд практически важных задач, в том числе:

• передача и обработка информации (телефон, компьютер, телевизор);
• обогрев (электрокамин, электрические печь и духовка);
• создание комфортной обстановки (кондиционер);
• решение бытовых проблем (фен, стиральная машина);
• выполнение различной механической работы (электродвигатели).

Всё это делает жизнь человека заметно более комфортной. Однако, наряду с достоинствами внедрение электроприборов сопровождается появлением определенных проблем, наличие которых приходится в обязательном порядке учитывать при выборе тех или иных решений. Электрический ток это:

• электромагнитное поле, значительная напряженность которого оказывает вредное влияние на здоровье;
• опасность поражения человека и животных;
• появление многочисленных проводов и кабелей, которые портят интерьер дома, усложняют строительные решения и т.д.

Одним из таких неприятных факторов является блуждающая составляющая. Это токи, протекающие в земле и вызывающие коррозию электрохимического типа полностью или частично находящихся в ней или хотя бы соприкасающихся с землей металлических предметов. Наиболее подвержены ей трубопроводы, защитные и экранирующие металлические покровы кабелей, элементы конструкции зданий. Возникновение блуждающих токов в земле неизбежно:

• часть электрооборудования использует землю в качестве второго провода;
• подавляющее большинство электрических устройств в соответствии с требованиями ПУЭ заземляется;
• нередки случаи утечки на землю за счет повреждения изоляции и неправильного включения электроприборов.

В жилом секторе причинами появления “блуждающего электричества” становятся:

• использование водопроводных труб в качестве шин заземления;
• “отматывание” показаний счетчика.

Все эти эффекты обычно не создают прямой угрозы для здоровья. Однако, интенсивный характер вызываемой ими электрохимической коррозии заставляет уделять большое внимание мероприятиям по защите от блуждающих токов.

Обозначение понятия

Блуждающие токи – это заряженные электрочастицы с конкретной траекторией движения, появляющиеся в земля, являющейся проводником. Термин блуждающие появился в виду того, что невозможно предугадать локализацию частиц и начало появления процесса. Воздействие блуждающих электрочастиц очень плохо проявляется на железных изделиях, присутствующих над землёй и под ней.

Такие же процессы появляются из-за растущего количества электрифицированных объектов, являющихся основой современных стран. А так как почва проводник для электричества, выполняется взаимное действие между элементами.

Появляются блуждающие частицы сродни электрическим, для взаимного действия которых требуется сравнение разности потенциалов в 2-х произвольных точках, исключительно для блуждающего варианта проводник – это земля. В результате находящийся железный материал вблизи процесса рушиться быстрее из-за коррозии.

Типы коррозии нержавеющей стали

Владельцы сушилок из нержавейки часто жалуются, что устройство стало покрываться ржавчиной. Постепенно на поверхности полотенцесушителя появляется все больше пятен диаметром с пару спичечных головок. Если место ржавления протереть, останется едва заметная отметина, которая со временем захватывает все большую поверхность.

Будучи пораженным коррозией, водяной полотенцесушитель начинает протекать. Первопричина разрушительного процесса — блуждающие токи. Металлоконструкции, постоянно контактирующие с водой, подвержены двум типам коррозии: электрохимической и гальванической.

Электрокоррозия развивается, когда металл, по которому проходит электричество, контактирует с водой. Из-за высокой нагрузки возникают так называемые пробои металла, что ведет к развитию коррозийных процессов.

Гальваническая коррозия появляется вследствие взаимодействия разнородных металлов, одному из которых свойственна более высокая химическая активность. При этом электролитом выступает вода вместе с содержащимися в ней минералами и солями. Особенно усиливает электропроводимость горячая вода. В этом случае металл разрушается намного быстрее.

Процесс формирования

Основой для появления блуждающих токов служит бесчисленное множество оборудования, работающего от электрического заряда, в результате возможными источниками являются такие элементы:

• наличие ЗУ в подобных объектах как подстанции, ВЛ с нулевым проводником, распределители;
• появление активности, в конечном итоге разрушения слоя изоляции проводов, несущих ток в кабелях и ВЛ сетях, где нейтраль изолирована;
• присутствие связующего инновационного звена между проводником и почвой в конструкциях с заземленной нейтралью и рельсовых транспортах, движимых током.

Механизм появления спонтанных разрядов можно рассмотреть на примере одного из приведенных пунктов.

Один конец нулевого провода объединен с ЗУ электрические станции, а другой присоединен к шине PEN потребляющего энергию, обладающей присоединением к ЗУ. Отсюда следует, что разница потенциалов электрического значения между выводами сформировывает блуждающие токи, так как энергия станет передаваться на ЗУ, что со своей стороны сформирует цепь.

В этом случае объем потерь не имеет высокого процента, так как пройдёт по пути самого малого сопротивления, однако конкретная часть попадет в землю.

Точно также происходит утечка энергии и в случае с повреждением изоляции проводки.

При этом неизменная бесперебойная утечка не имеет места, так как о ее появлении сигнализирует система и происходит автоматическая локализация участка, а еще согласно нормативам, есть конкретный временной период, отведенный на удаление поломок.

Важно! Cогласно статистике, центральные места формирования утечки электрической энергии и образования блуждающих токов приходятся на городские и пригородные зоны, где есть наземный транспорт, зависящий от энергосети.

Токи на рельсах

При эксплуатации городского электрифицированного транспорта, подается напряжение из подстанции в тяговую систему, переходящее на рельсы и совершающее обратный цикл. Если рельсы как металлическая база относительно проводника не устойчивы, это ведет к появлению в почве размещений блуждающих токов, тогда каждая металлическая конструкция, появившаяся на их пути, к примеру, изделия сантехнические, выступают в качестве проводника.

Важно! Происходит такое взаимное действие в виду того, что ток двигаясь, подбирает путь наименьшего сопротивления, которое у металла меньше, чем у земли.

Все это приводит к ускоренному разрушению изделий из металлов.

Как защитить трубы от блуждающих токов

Металлические трубы ещё популярны, хотя они и вытесняются более современными аналогами. Главная задача – борьба с коррозией. Одной из причин её образования являются блуждающие токи. Защита от них строится по разным принципам.

Какое действие оказывает ток?

Проблема актуальна на тех участках трубопровода, которые проложены под железнодорожными путями, автомагистралями и городскими дорогами. Создаваемые на поверхности грунта блуждающие токи идут по пути наименьшего сопротивления. Так как металл – прекрасный проводник, заряженные частицы проходят через него и возвращаются к исходной точке.

Обмотка труб для защиты

Это разрушает трубы, так как частицы забирают с собой молекулы металла. Постоянно подвергаясь действию электричества, стенки трубы истончаются. Чтобы исключить проблему, важно правильно выбрать способы защиты изделий от тока.

Общая информация

Защита трубы, расположенной под землёй, подразделяется на пассивные и активные меры борьбы.

• Активная характеризуется установкой устройства, генерируемого встречный электросигнал.
• Пассивная мера – это изоляторы. Задача – правильно выбрать материалы и учесть ряд свойств.

Блуждающие токи перестают быть опасными, если проводится комплексная защита трубы. Специалисты рекомендуют покрывать изделия полимерными составами – это исключает коррозию металла.

Защита с помощью отвода

Что нужно сделать?

Чтобы защитить трубы устанавливается катодная станция. Эта установка подаёт некоторый потенциал на корпус изделия. Так блуждающие токи компенсируются, они встречают на своём пути противоположный по знаку заряд большей величины. Труба перестаёт быть участком меньшего сопротивления.

Другой способ (менее дорогой) – полная изоляция труб от грунта (делается на этапе строительства). Защита реализуется в виде мастики, порошка, эмалевых щитов и пр. Выполняется изоляция и посредством липких полимерных лент, а также с помощью грунтовки. Основное условие их использования – изоляционные материалы должны быть термически стойкими, не подвержены быстрому гниению, с высокой прочностью и хорошими диэлектрическими свойствами.

Есть и более радикальная защита трубы – замена на пластиковые изделия. Тогда магистрали прослужат долгие годы, менять такие аналоги не приходится, они стойки к внешним факторам, являются прекрасным диэлектриком.

Есть ещё кое-что…

Блуждающие токи опасны в тех регионах, где предусмотрен электротранспорт. Проблема актуальна не всегда. В некоторых уголках нашей родины жители прекрасно обходятся без изоляции подземных труб и пользуются магистралями долгие годы.

Связь токов и коррозийных процессов

Любой водомерный узел, который находится в почве, повреждается коррозией за счёт влияния на него влаги и солей, но если сюда еще присоединить и активность токов, то появляется электролитический процесс. При этом на скорость электрохимической реакции действует заряд, текущий между анодом и катодом. Отсюда следует, что на активность повреждения металлических изделий будет влиять сопротивление почвы движению зарядов, а еще сложность течений, присутствующих в анодной и катодной зоне.

В этой обстановке система водообеспечения предрасположена обыкновенной коррозии под воздействием токов утечки. Влияние сформировывает гальваническую пару, ускоряющую развитие коррозии. В истории есть большое количество факторов, когда укладываемый трубопровод должен был служить 20 лет, а в действительности разрушение было через 2 года.

Влияние на систему водоснабжения

При построении системы отопления и водоснабжения в массовом масштабе используются стальные трубы. За счёт заметно более высокой проводимости стали по сравнению с грунтом такие трубы начинают “притягивать” электрические заряды, а в местах входа и выхода тока (катодная и анодная зоны, соответственно) происходит интенсивная коррозия.

Физика возникновения явления сразу же определяет способы защиты от него. Подавить блуждающие токи в водопроводных трубах можно:

• совершенствованием и поддержанием в исправном состоянии изоляции;
• применением пластиковых вставок при условии обязательного дополнительного выравнивания потенциалов;
• установкой катодной защиты.

Варианты предполагаемой защиты

Чтобы обезопасить металлические изделия от плохого влияния используются разные способы, разделяющиеся по природе их использования на неактивные и энергичные.

Пассивный вариант

Такой вариант считается использованием разного материала для изоляции, формирующего защиту между проводником и металлом. Как изоляция применяется:

• эпоксидная смоляные смеси;
• включение в состав полимерных материалов;
• покрытие из битума.

Однако если обойтись только этим вариантом, то полноценной защиты не выйдет, так как материал для изоляции не считается стопроцентным барьером благодаря наличию диффузионной проницаемости. Благодаря этому изоляция происходит в выборочный способ. По мимо этого в процессе перемещения труб такой слой может быть повреждён, из-за чего появляются существенные царапины, надрезы, сквозные дыры и другие дефекты.

Важно! Благодаря этому применить пассивный способ защиты можно лишь как дополнение.

Энергичная защита

Указывает на использование активных способ локализации источника влияния при помощи использования катодной поляризации, где негативный заряд смещает природный.

Чтобы такую защиту осуществить нужно использование одного из 2-ух инструментов:

• Гальванического способа – эффект гальванической пары, исполняется разрушение жертвенного анода, обеспечивая таким образом защиту конструкции из металла. Способ энергичен при сопротивляемости грунта до 50 Ом на метр, если сопротивляемость ниже способ не действенен.
• Источника непрерывного тока – обеспечивает избегание зависимости от силы сопротивляемости грунта. Применяется электрохимическая защита от коррозии, источник которой заключен в сформированном преобразователе, подключенному к электрической цепи электрического тока. Так как источник именно сформировался при помощи его регулирования можно задать нужный уровень защиты тока, в зависимости от сложившихся обстоятельств.

Аналогичный способ может обеспечить и неблагоприятное воздействие:

• перезащита – превышение нужного потенциала, в конечном итоге происходит разрушение изделия из металла;
• неправильный расчет защиты – приводящий к ускоренному коррозийному разрушению недалеко от размещенных железных объектов.

Приведенные варианты можно рассмотреть на защите подобного изделия как змеевик.

Процессы которые связаны с коррозией на подобных изделиях или прочих оконечных водопроводных изделиях никогда не происходили, однако это было по настоящему до начала использования металлопластиковой трубы, где есть контакт с алюминием в середине стены. В результате становление блуждающих компонентов происходит не только из-за использования пластмассовых труб в непосредственном помещении, но также и в прочих, так как в доме на несколько квартир они могут быть использованы у соседа с иного этажа.

Важно! Во избежание неблагоприятного воздействия появившихся токов на свою конструкцию нужно поровнять потенциалы, за счёт оснащения сушителя полотенец, батареи и труб водопровода элементом заземления.

При этом применение так нужного заземления происходит в отношении любой коммуникации, которая сделана из труб сделанных из металла, к примеру, газопровода в земля.

Необходимость заземления

В многоэтажных домах старого (советского) образца металлические отопительные стояки изначально заземлены в следующих случаях:

1. Полотенцесушитель связан с отопительной системой посредством металлической трубы.
2. В ходе реконструкции установлена индивидуальная система отопления.

Если все трубы изготовлены из стали, с заземлением батарей проблем не возникало, так как все трубопроводы обычно заземлены в двух местах подвала. Кроме того, ванная заземлена отдельными проводниками, имеющими электросвязь с водопроводной системой.

В заземлении полотенцесушителя есть необходимость в таких случаях:

1. Устройство подключено к отопительной системе через металлопластиковую трубу, которая оснащена алюминиевой прослойкой, проводящей токи. Однако на участке фитинга происходит разрыв электроцепи.
2. Домовой стояк изготовлен из металлопластиковых труб.

Правила выполнения замеров

Чтобы оценить всю степень получившейся ситуации с утечкой электрозарядов нужно сделать ряд мероприятий:

• измерение напряжения и устремление тока по оболочкам кабелей магистрали;
• обозначение разности потенциалов между контактными рельсами и находящимися в почве трубопроводами;
• проверка уровня изоляции рельсов от грунтового покрытия, применив для эксперимента участок полотна;
• оценка плотности утечки энергии с оболочки кабелей в почву.

Чтобы сделать обмеры, применяется специализированный прибор, если мероприятия проводить на ЖД полотнах следует подбирать час пик движения транспорта.

Инструменты для замеров

Что бы проверить используют преобразователи электрической энергии и подстанции у линии движения – электрод, подключенный к прибору, объединяют с ЗУ и втыкают в 10 метрах от подстанции. Вся появляющаяся разница крепится прибором.

Если предстоит кладка линии труб для водообеспечения важно обнаружить локацию блуждающих токов, для этой цели определяется разница потенциалов между 2-мя выборочными точками поверхности земли, расположенными перпендикулярно друг к другу с соблюдением равного расстояния. Такое обозначение важно исполнять систематично с разрывом в километр.

При этом применяемые приборы непременно должны иметь класс точности не ниже 1,5, а сопротивление оборудования от 1 МОм. Использование измеряющих электродов с разностью потенциалов выше 10 мВ. Время проведения одного замера в первую очередь проходит в границах 10 мин, а разрыв между процессами 10 сек.

Источник