ZEMNÍ PROUDOVÁ POLE V OKOLÍ ELEKTRIZOVANÝCH TRATÍ

Transkript

1 ZEMNÍ PROUDOVÁ POLE V OKOLÍ ELEKTRIZOVANÝCH TRATÍ Prof. Ing. Josef Pale ek,csc. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB -TU Ostrava josef.palecek@vsb.cz Úvod eská republika pat í mezi zem s nejvyšší hustotou železni ních tratí, které byly pro zvýšení propustnosti elektrizovány. Vzhledem k tomu, že pro trakci se jako velmi výhodný jevil stejnosm rný sériový motor, stejnosm rná lokomotiva byla nejjednodušší s dobrými trak ními vlastnostmi a výkonová polovodi ová technika v za átcích elektrizace D prakticky neexistovala, za alo se elektrizovat stejnosm rným trak ním proudovým systémem 3 kv. První tra elektrizovaná stejnosm rným systémem 3 kv, Praha - eská T ebová, byla dána do provozu v roce Tímto systémem pokra ovala elektrizace železnic i nadále a tak mají v sou asné dob D v provozu asi 1650 km stejnosm rných tratí 3 kv. 1. Zemní proudová pole Zemní proudová pole zp sobují korozi kovových úložných za ízení (nap. kovového potrubí). Tato proudová pole vznikají z mnoha p in. Mohou být jednak vytvá ena um le, nebo mohou vzniknout irozenou cestou. Do kategorie p irozených zemních proudových polí pat í pole elektrochemického, filtra ního a difúzního p vodu. Tato pole existují v p írod nezávisle na innosti lov ka. Intenzita t chto polí dosahuje 10 až 50 mv/km u filtra ních polí m že dosáhnout až 100 mv/km. Další možnost vzniku proudových polí je dána vytvá ením galvanických lánk na povrchu kov na základ chemických ne istot v základním kovu, dále vlivem nestejnorodosti prost edí, pórovitosti kysli níkové vrstvy na povrchu kovu apod. Um lá zemní proudová pole vznikají hlavn v okolí elektrických za ízení napájených ze stejnosm rných zdroj, která jsou nedostate izolována od zem, pop ípad používají zemi jako vodi. Proudy, které unikají z t chto za ízení a te ou zemí, se nazývají bludné proudy a jsou z hlediska koroze nejnebezpe jší. Typickým p edstavitelem takového za ízení (a taky zdrojem nejsiln jších a nejrozsáhlejších zemních proudových polí) jsou dráhy elektrizované stejnosm rnou trak ní napájecí proudovou soustavou. 1.1 Zemní proudová pole v okolí elektrizovaných drah Železni ní spodek je typickým elektrolytickým prost edím, které obsahuje r zné chemické prvky a slou eniny, a to jak v pevném, tak v kapalném skupenství. P edstavuje tedy masivní, v tšinou nehomogenní vodi druhého ádu s iontovou vodivostí. Když vznikne potenciálový rozdíl mezi libovolnými body železni ního spodku i svršku vybuzenými jakýmikoliv zdroji, za ne mezi t mito body protékat proud. Proud nete e po nejkratší spojnici bod s r zným potenciálem, ale roztéká se do široké oblasti v závislosti na materiálových parametrech prost edí. Tyto proudy asto te ou v závislosti na vodivosti zem daleko od trati, že lze n kdy t žko identifikovat, zda je zdrojem elektrifikovaná tra nebo jiné zdroje. Jsou známy p íklady, že proud vlivem železných konstrukcí v zemi tekl i n kolik desítek km od trat. Na obr. 1. je nazna en p íklad proudových ar mezi napájecí stanicí a trak ním vozidlem v ezu rovinou procházející kolejemi, která je kolmá na povrch zem. Za p edpokladu homogenity p dy platí obecn, že ím je p da vodiv jší, tím je vzdálenost ší ení bludných proud menší. P edpoklad homogenity je pro praxi užite ný pro vytvá ení model, ale tém vždy je narušen geologickým rozvrstvením zeminy a kovovými p edm ty (špatn izolované potrubí, podzemní kabely apod.), na kterých je potenciál stejný do zna ných vzdáleností od zdroje. 39

2 NS napájecí stanice Obr.1 Pr h proudových ar v zemi pod elektrickou trakcí, p i kladné polarit troleje Primární funkcí kolejnic je mechanická podpora a vedení kolejových vozidel. Kolejnice jsou také ur eny k vedení trak ního proudu i proudu tra ových zabezpe ovacích za ízení. Podle sou asného stavu techniky a dosavadního vývoje se používá k výrob a p enosu elektrické energie st ídavá t ífázová energetická soustava s kmito tem 50 Hz. Jednovodi ový p ívod elektrického proudu do vozidel elektrických drah a odvod elektrického proudu kolejnicemi p ivedl konstruktéry elektrických trak ních za ízení k r zným trak ním napájecím proudovým soustavám. Trak ní proudové napájecí systémy m žeme rozd lit do t ech velkých skupin: trak ní napájecí proudové systémy stejnosm rné, st ídavé trak ní napájecí proudové systémy pr myslového kmito tu 50 (60) Hz, st ídavé trak ní napájecí proudové systémy sníženého kmito tu 16 2 / 3 (25) Hz. 1.2 Stejnosm rné trak ní napájecí proudové soustavy Stejnosm rné dráhy jsou napájeny z trak ních napájecích stanic, které se u t chto soustav nazývají trak ní m nírny. Zde se t ífázová energetická soustava m ní na soustavu stejnosm rnou. Jmenovitá nap tí stejnosm rných soustav jsou: 250 V pro d lní dráhy hlubinných dol, 600 V pro pouli ní dráhy tramvajové a trolejbusové, 750 V pro rychlé m stské dráhy, trolejbusové dráhy a podzemní dráhy, V pro hlavní a vedlejší železni ní trat a pro dráhy povrchových lom, V pro hlavní železni ní trat. 2. Koroze 2.1 Princip elektrochemické koroze Rozrušování kov koroze - p sobení okolního prost edí je p irozeným jevem. Je to proces, kterým se kovy snaží p ejít ve stav, v jakém se vyskytují v p írod, tj. ve své slou eniny, jako kysli níky, sirníky, uhli itany apod. Technicky isté kovy získáváme z rud r znými hutnickými metodami. T mito reduk ními pochody se porušuje p vodní rovnovážný stav, kovy se p evád jí do stavu vhodného pro používání v technice, ale sou asn do stavu mén stabilního. P i styku s okolním prost edím mají isté kovy snahu op t obnovit sv j rovnovážný stav a vytvo it stabiln jší slou eniny, které jsou technicky nepoužitelné. 40

3 Kovy p echázejí do svých slou enin chemickým nebo elektrochemickým procesem, takže podle fyzikáln - chemické povahy rozeznáváme chemickou a elektrochemickou korozi. Rozdíl mezi nimi je dán r zností n kterých faktor, vždy však jde o tvo ení slou enin r zných prvk za sou asného emis ování elektrických náboj elektrony a ionty. V zásad je tedy koroze elektrochemickým procesem, tj. chemickou reakcí mezi kovem a jeho prost edím, podmín nou pr tokem elektrického proudu. Korozní reakce je elektrická v tom smyslu, že v hrani ní vrstv vzniká elektrický potenciální gradient a p enos elektron se d je podle Faradayova zákona. Faraday v zákon popisuje závislost množství vylou ené látky na prošlém náboji, nebo-li proudu. Hmotnosti látek vylou ených na elektrodách jsou ímo úm rné elektrickému náboji, který p enesly ionty p i elektrolýze. m = A Q = A I t (kg; kg A-1 s -1, C, kg A -1 s -1, A, s) e kde: m množství vylou eného kovu, Q celkový náboj iontu, A elektrochemický ekvivalent kovu, I e proud elektrolytického jevu, t doba trvání elektrolytického jevu. Elektrochemické ekvivalenty n kterých prvk jsou uvedeny v tabulce 1. Tab. 1. Elektrochemické ekvivalenty vybraných kov Kov Sn Al Cu Pb Fe A (kg A -1 s -1 ) ,6 93,3 332,3 1073,3 289,3 Pro ilustraci si m žeme vypo ítat ztráty kovu zp sobené elektrochemickou korozí p i protékání stejnosm rného proudu 1 A po dobu jednoho roku a to pro olovo: m = 1073, = 33, 85kg pro m : pro železo: m = 332, = 10, 48kg m = 289, = 9, 12kg pro hliník: m = 93, = 2, 94kg Z tabulky elektrochemických ekvivalent a z informativního výpo tu je patrné, že olovo je z hlediska elektrolytických pochod vzhledem ke svému vysokému elektrochemickému ekvivalentu nevýhodným materiálem. Pokud se týká daného výpo tu, poskytuje nám jen p ibližnou orientaci. D vod je v tom, že ve skute nosti existuje dominantní vliv ur itých faktor, který se projevuje p i r zných podmínkách interakce kovu s prost edím nejen r znou rychlostí koroze, ale rozdílnými druhy korozního napadení (rovnom rné napadení, bodové napadení atd.). Bodové napadení je pro kabely a potrubí p irozen zvláš škodlivé. Ke korozi dochází za velmi r zných podmínek a podle charakteru korozního d je rozeznáváme r zné druhy koroze. Základním kriteriem pro klasifikaci koroze je, zda anodické a katodické oblasti jsou ilehlé nebo odd lené, pop. zda proud vym ovaný mezi anodickými a katodickými oblastmi je itelný nebo nem itelný b žnými m ícími p ístroji. Pro r zné druhy koroze jsou charakteristické zné typy korozních lánk. Korozní lánek vzniká jen p i styku dvou r zných kov v elektrolytu (galvanický lánek) nebo následkem koncentrace (koncentra ní lánek), složení, teploty a jiných vlastností elektrolytu, ale vytvá í se i vlivem r zných fyzikálních vlastností kovu, jako krystalické struktury a chemické modifikace (místní lánek). Rozdíl potenciál m že vzniknout také mezi 41

4 mechanicky napjatou a nenapjatou ástí téhož kovu nebo mezi r zn provzduš ovanými ástmi povrchu téhož kovu (aera ní lánek). Ke korozi m že dojít též vlivem telurických proud (geologický lánek) nebo ú inkem bakterií. A posléze ú inkem bludných proud, které mají sv j zdroj vn napadeného úložného za ízení, vzniká koroze bludnými proudy. 2.2 Koroze stejnosm rnými bludnými proudy Nejsiln jší zemní proudová pole jsou tvo ena bludnými proudy v okolí tratí elektrizovaných stejnosm rnou trak ní proudovou soustavou. Zp tné trak ní proudy procházejí kolejnicemi, které jsou uloženy na pražcích a št rkovém loži a nejsou tudíž dokonale izolovány od zem. ást zp tného proudu proto vniká do zem a dosahuje pom rn velkých hodnot. Podle istoty št rkového lože a vzdálenosti paty kolejnic od kolejového lože, iní tato ást 30 až 60 % celkové hodnoty. Stejnosm rný proud tekoucí zemí se uzavírá cestou nejmenšího odporu a prochází p dami s malým rným odporem. Jestliže se v p nachází nedokonale izolované kovové za ízení (potrubí, kabel, nádrž apod.), je proud tímto za ízením veden a vystupuje v blízkosti napájecí stanice (NS) do kolejnic, které jsou spojeny se sb rnicí napájecí stanice. Vstupem trak ního proudu do NS se elektrický obvod uzavírá - obr. 2. Obr.2 Schéma obvodu trak ního proudu u stejnosm rné trak ní proudové soustavy a pr hy potenciál kolej - zem U KZ a úložné za ízení zem U UZ Na kovových úložných za ízeních se vytvá ejí t i pásma: katodické pásmo, kde proud vstupuje z okolní p dy do úložného za ízení; není z hlediska elektrochemické koroze nebezpe né, ale vlivem vzniku vodíku na anod dochází ke k ehnutí materiálu a tím ke zmenšení jeho pevnosti (nebezpe né hlavn u plynovodu), neutrální pásmo, kde bludné proudy jen protékají; ani tato oblast není ohrožena elektrochemickou korozí, anodické pásmo, ve kterém vystupují bludné proudy z úložných za ízení do p dy; tato oblast je z hlediska elektrochemické koroze velmi nebezpe ná, dochází k elektrolytickému rozpoušt ní kovu, které se projevuje bodovým prod rav ním kovu, p emž v míst poruchy je kov istý bez rzi. 3. Ú inky bludných proud Hlavní ú inky bludných proud mohou být: 42

5 - koroze a následná poškození kovových konstrukcí a úložných za ízení v místech, kde proud vytéká z t chto konstrukcí nebo úložných za ízení, - riziko p eh átí, jisk ení a ohn a tím následného ohrožení za ízení a osob, které nemusejí být nutn v oblasti odpov dnosti provozovatele dráhy, - ovliv ování jiných katodických ochranných za ízení, - ovliv ování nechrán ných zabezpe ovacích a komunika ních systém, - ovliv ování jiných AC a DC napájecích soustav. 4. Vliv polarity na korozi úložných za ízení ležitý je vliv polarity rozvodu trak ního proudu na místo a velikost korozních oblastí. Je-li kladná polarita v troleji, pak se nachází katodická oblast negativního potenciálu kabelového plášt, tudíž oblast vstupu proudu do plášt uprost ed mezi napájecími body a výstupy proud jsou poblíž napájecích bod. P i opa né polarit, tj. záporné v trolejovém vedení bude výstup proudu a tudíž korozn ohrožená oblast anodická uprost ed mezi napájecími místy a vstup proud do kabelového plášt bude v místech napájecích nejsiln jší. Obr.3 Pr hy potenciálu kolej zem a úložné za ízení zem p i jízd vlak a záporné polarit kolejí Pr hy potenciál a proud na kolejích a kabelových pláštích, vypo ítané za zjednodušených edpoklad, jsou vyzna eny na obr. 3 a obr.4. Na nich je patrná souvislost mezi rozložením potenciálových oblastí a polaritou kolejnic. U železnic a v tšiny m stské dopravy má trolej kladnou polaritu, ale v n kterých m stech R je tomu obrácen (Ostrava, Brno a.j.). Ze schématu s kladnou polaritou kolejí - obr. 3 je patrné, že maximální negativní potenciál na kolejích vzniká v bod 3, který odpovídá krajní poloze zatížení. P ípadné drenážní za ízení ipojené k tomuto bodu kolejové sít bude dostávat periodicky maximální hodnoty negativního potenciálu. 43

6 Obr.4 Pr hy potenciálu kolej zem a úložné za ízení zem p i jízd vlak a kladné polarit kolejí Ze srovnání diagram p i obou zp sobech napájení trak ní sít vyplývá, že p i kladné polarit trolejového vedení je katodická zóna rozložena ve v tší ásti podzemního za ízení, kdežto p i záporné polarit trolejového vedení je rozložena na menší ásti (vyšrafovaná oblast na obrázku). Z rozboru vlivu polarity trak ního vedení na korozi úložných za ízení vyplývá: i kladné polarit trolejového vedení je katodická oblast na podzemních kovových za ízeních rozložena na v tší ásti úseku, výkyvy pot ebného ochranného potenciálu jsou p i kladné polarit trolejového vedení menší, kladná polarita trolejového vedení umož uje jednak využít výhodného p irozeného potenciálu na ásti úložného za ízení vzdálené od napájecí stanice, jednak dává dobré podmínky pro použití drenážní ochrany úložných kovových za ízení. kdy se doporu uje p ipojení kolejí na kladný pól napájecích stanic. Je to p i ídkém provozu vlak, kdy se periodicky m ní polarita za ízení uloženého v zemi, ímž se do ur ité míry zpomalují korozní ú inky. Toto zapojení však zt žuje aplikaci ochranných opat ení proti korozi bludnými proudy. Na hlavních železni ních tratích je výhodn jší p ipojit koleje na záporný pól napájecích stanic. Tohoto zp sobu zapojení trak ní sít je také použito na elektrizovaných tratích D. 5. Použitá literatura [1] Pale ek J., Vybrané kapitoly z problematiky elektrotechniky v dopravním inženýrství, VŠB-TU Ostrava 1996 [2] Lanáková G. a kol., Napájení elektrizovaných drah, skriptum VŠDS Žilina 1987 [3] Koroze úložných za ízení 95, sborník Košice [4] Mí ko F., M ení proudových polí, SELPO Ostrava konference Rožnov pod Radhošt m 1999 [5] SN EN Drážní za ízení-pevná trak ní za ízení ást2: Ochranná opat ení proti ú ink m bludných proud, zp sobených DC trak ními proudovými soustavami, platná od