ZEMNÍ PROUDOVÁ POLE V OKOLÍ ELEKTRIZOVANÝCH TRATÍ Prof. Ing. Josef Pale ek,CSc. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB -TU Ostrava
[email protected] 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 1955. 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 až50 mV/km u filtra ních polí m že dosáhnout až100 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
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, 1 500 V pro hlavní a vedlejší železni ní trat a pro dráhy povrchových lom , 3 000 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
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. (kg; kg⋅A-1⋅s-1, C, kg⋅A-1⋅s-1, A, s)
m = A ⋅ Q = A ⋅ Ie ⋅ t
kde:
m A Ie
množství vylou eného kovu, Q celkový náboj iontu, elektrochemický ekvivalent kovu, 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 -1 -1 -9 A (kg ⋅A ⋅s ).10 338,6 93,3 332,3 1073,3
Fe 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 = 1073,3 ⋅ 10 −9 ⋅ 60 ⋅ 60 ⋅ 24 ⋅ 365 = 33,85kg pro m : m = 332,3 ⋅ 10 −9 ⋅ 60 ⋅ 60 ⋅ 24 ⋅ 365 = 10,48kg pro železo: m = 289,3 ⋅ 10 −9 ⋅ 60 ⋅ 60 ⋅ 24 ⋅ 365 = 9,12kg pro hliník: m = 93,3 ⋅ 10 −9 ⋅ 60 ⋅ 60 ⋅ 24 ⋅ 365 = 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
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 tudíždokonale 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 až60 % 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“UKZ a „úložné za ízení –zem“UUZ 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 emžv míst poruchy je kov istý bez rzi. 3. Ú inky bludných proud Hlavní ú inky bludných proud mohou být:
42
-
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
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, ímžse 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 28.-29.6.1995 [4] Mí ko F., M ení proudových polí, SELPO Ostrava konference Rožnov pod Radhošt m 1999 [5] SN EN 50122-2 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 2001
44
