Лекция 6 Гальваническое влияние эжд на смежные сооружения Особенности гальванического влияния

 

Закономерности гальванического влияния существенно отличаются от закономерностей электрического и магнитного влияний. Наиболее существенные отличия заключаются в следующем.

1. Гальваническому влиянию подвержены смежные линии, имеющие заземления (однопроводные цепи, проложенные в земле металлические сооружения и коммуникации, кабели). Очевидно, что для проявления влияния необходимо либо минимум две точки заземления, либо гальванический контакт с рельсом и минимум одна точка заземления.

2. Гальваническое влияние вызывается так называемыми блуждающими токами, возникающими вследствие утечки тока из рельсов в землю. Потенциалы отдельных точек земли зависят при этом от тока в контактной сети, сопротивления рельсов, переходного сопротивления рельсы – земля, удельной проводимости земли. Из-за неоднородности земли и изменения тока в рельсах потенциалы точек земли вблизи рельсов изменяются нерегулярно во времени и по поверхности земли.

 

Рисунок 1 –Схема расположения влияющей линии

3. Наибольшая величина напряжения при гальваническом влиянии наводится при расположении смежной линии перпендикулярно к оси железной дороги и в случае, когда один из заземлителей однопроводной линии находится в удаленной точке земли с нулевым потенциалом.

4. Оценку величины U_г в зависимости от ширины сближения, проводимости земли и глубины заземлителя для тока контактной сети 1000 А можно провести по графикам "Правил защиты..." [1,2]. Расчеты проводят для двух режимов работы тяговой сети: короткого замыкания и вынужденном. При переменном токе с гальваническим влиянием можно не считаться, если удельная проводимость земли более 0.1 См/м, а также при наличии в тяговой сети отсасывающих трансформаторов.

5. При электрификации на постоянном токе основную опасность гальванического влияния составляет электрокоррозия подземных сооружений.

В связи с указанной спецификой гальванического влияния в данном разделе будет рассматриваться влияние тяговой сети постоянного тока.

Потенциалы и токи в рельсах и в земле

На электрифицированных железных дорогах рельсовый путь представляет один из проводов для питания электрических локо­мотивов. Рельсы через шпалы, через заземление опор контактной сети, а иногда через различные металлические сооружения соеди­нены с землей, поэтому в цепь, питающую локомотивы, включа­ются не только рельсы, но и присоединенные к ним параллельно земля и различные подземные сооружения, расположенные в ней. Протекание тока по рельсам вызывает в них падение напряжения и возникновение потенциалов относительно земли. Следовательно, все металлические сооружения, электрически соединенные с рель­сами, получают тот же потенциал. Потенциалы металлических со­оружений относительно земли на дорогах постоянного тока дос­тигают в отдельные моменты времени довольно высоких значе­ний, выходящих иногда за пределы 100 В. Такие напряжения в оп­ределенных условиях могут оказаться опасными.

Протекающие по земле так называемые блуждающие токи час­тично попадают в расположенные вблизи от электрифицирован­ных железных дорог постоянного тока различные металлические сооружения (подземные трубопроводы и кабели, хранилища го­рючего, основания и фундаменты опор контактной сети и т. п.) и, вытекая из них, вызывают электрокоррозию, чем наносят боль­шой материальный ущерб различным отраслям хозяйства. Для уменьшения вредного действия блуждающих токов на подземные сооружения разработаны различные защиты. Одни защиты направ­лены на уменьшение блуждающих токов (токов, ответвляющихся в землю), другие — на защиту подземных сооружений от блужда­ющих токов. Таким образом, первые защиты по предупреждению появления (полному или частичному) блуждающих токов, а вто­рые — по борьбе с уже имеющимися блуждающими токами.

Обычно коррозию подземных сооружений разделяют на два вида: почвенную (или, как ее часто называют, — химическую), которая главным образом определяется средой, и электрохимическую кор­розию, возникающую под действием блуждающих токов.

Картина протекания блуждающих токов электрифицированных железных дорог в земле и подземных сооружениях может быть получена непосредственно из данных о распределении потенциа­лов и токов в рельсах. Поэтому в данной главе подробно рассмот­рено распределение токов и потенциалов в рельсах для различных случаев питания и нагрузки электрифицированного участка.

Потенциалы и токи в рельсах на участках переменного тока

Здесь рассмотрим схемы с сосредоточенными нагрузками и схемы с равномерно распреде­ленной нагрузкой. Имеется различие в явлении протекания тока по рельсам на участках переменного тока и постоянно. Объясняется оно при­сутствием электромагнитной связи между отдельными контурами, составляющими тяговую сеть.

Рассмотрим самую простую схему питания (рисунок 2). Ток в контактной подвеске равен сумме всех токов в рельсах и земле, условно нами обозначенных Таким образом, тяговая сеть как бы представляет собой ряд наложенных друг на друга кон­туров: контур тока , контур тока и т. д. При этом одна часть цепи для всех контуров является общей и составляется из подстан­ции, контактной сети и электровоза. Вторая часть цепи для каждого контура своя. Она состоит из некоторой длины рельса (напри­мер, для нити тока — длина а), переходного сопротивления «рельс—грунт» и сопротивления соответствующей части земли.

1 — тяговая подстанция; 2— кон­тактная подвеска; 3 — нагрузка (электровоз); 4 — рельсы; 5 —земля

Рисунок 2 - Схема протекания токов на линии с однофазной нагрузкой

Известно, что любые линии переменного тока обладают как активным, так и индуктивным сопротивлением. Индуктивное сопротивление состоит из внут­реннего и внешнего индуктив­ных сопротивлений. Последнее зависит от размера контуров. Чем больше расстояние между токами «прямым» (в контактной подвеске) и «обратным» (в на­шем случае в земле), тем боль­ше ндуктивность этого контура.

Следовательно, составляющая тока определяет меньшую индуктивность, чем , и т. д. (см. рисунок 1).

Так как эти контуры имеют различную индуктивность, то и токи будут сдвинуты по фазе друг относительно друга. По той же причине плотность тока в земле падает с удалением от по­верхности земли и тем скорее, чем выше его частота. Например, ток линии при частоте 50 Гц, проходя по земле, распространяется в ней в стороны и в глубину на несколько километров, а токи зву­ковой частоты — только на несколько сот метров.

Таким образом, при увеличении частоты тока глубина протека­ния токов уменьшается, следовательно, с увеличением частоты тока растет сопротивление земли. При протекании по земле постоянно­го тока он охватывает большую глубину и ширину земли (в не­сколько километров), поэтому сопротивление земли здесь не иг­рает существенной роли (выше в расчетах им пренебрегали). При протекании же переменного тока сопротивление земли, как отме­чалось, увеличивается. Зависимость сопротивления земли (как «об­ратного» провода) от частоты тока:

Частого тока, Гц 25 50 150 500 5000

Переходное

сопротивление «рельс—земля», Ом-км 0,025 0,05 0,15 0,5 5,0

При увеличении удельного сопротивления земли растет па­дение напряжения в ней и падает плотность тока и, следователь­но, одновременно увеличивается глубина и ширина области про­текания токов. В свою очередь увеличение этой зоны протека­ния токов приводит к увеличению индуктивности контура «про­вод—земля».

Если линия контактной сети переменного тока идет по кривой или даже делает петлю, обратный ток в земле следует по той же кривой, т. е. не идет по наиболее короткому пути. Это объясняется тем, что ток в земле вследствие магнитного взаимодействия подтя­гивается к проводу и держится вблизи него на расстояниях, как это было отмечено, зависящих от частоты тока. Это положение осо­бенно интересно при расчетах всякого рода сложных узлов. Оно указывает на то, что схему распределения токов в земле можно считать аналогичной схеме соединения проводов различных ли­ний, сходящихся в данной точке.

Присутствие рельсов на поверхности земли дополнительно услож­няет картину. Рельсы на всем протяжении соединены через переход­ные сопротивления с верхним слоем земли, где ток имеет наиболь­шую плотность. Наличие рельсов как бы изменяет сопротивление верхнего слоя земли, а отсюда и сопротивление всех контуров, в ко­торых наводится эдс. Ток, протекающий в этих условиях по рельсам, зависит от переходного сопротивления «рельсы—грунт» и от со­противления самих рельсов. Последнее же в свою очередь зависит от тока в рельсах (как во всяком массивном стальном проводнике). Так как ток в рельсах падает по мере приближения к середине учас­тка (см. рисунок 2), то и сопротивление рельсов по его длине изменяется.

Все эти соображения показывают, сколь сложна картина рас­пределения токов между рельсами и землей. Если же учесть, что в действительности имеется не одна нагрузка, а несколько, и пита­ются они от ряда подстанций, да к тому же нагрузки непрерывно перемещаются и число их изменяется, то легко объяснить, поче­му для решения поставленной задачи приходится прибегать к раз­личным упрощениям.

Если все токи в земле заменить одним эквивалентным током, то в схеме одностороннего питания одной нагрузки (рисунок 3) можно рассматривать три отдельные составляющие тока, проте­кающие по трем контурам: 1) «контактная сеть—-рельс» (штри­ховые стрелки); 2) «контактная сеть—-земля» (сплошные стрелки); 3) «рельсы—земля» (штрихпунктирные стрелки).

1— подстанция; 2 — нагрузка

Рисунок 3 - Схема токораспределения на участке однофазного тока

Таким образом, ток в рельсах получается как геометрическая сумма двух составляющих: ток контура 2) (назовем его услов­но «тяговой» составляющей тока, которая является частью тока, потребляемого электрово­зом) и ток контура 3) —- «вихре­вой» составляющей.

При протекании тока по рельсам на участках постоянно­го тока и расстояниях между подстанцией и нагрузкой 12—20 км на средней части участка ток в рельсах близок к нулю. При переменном токе тяговая составля­ющая тока в рельсах падает значительно быстрее, чем при посто­янном, так как полное сопротивление рельсов много больше сопротивления постоянному току (особенно в зоне больших то­ков, т.е. около подстанций и потребителей). Кроме того, длина фидерных зон при переменном токе значительно больше. Таким образом, при достаточно большом расстоянии от нагрузки до подстанции в рельсах, за исключением небольших участков, при­легающих к подстанции и нагрузке, будет протекать только вих­ревой ток (рисунке 4, а), и в таком случае можно считать, что ток в рельсах пропорционален току в контактной сети. При этом для расчетов могут быть использованы коэффициент само­индукции и взаимоиндукции, выведенные для линии бесконечно большой длины.

1— подстанция; 2 — нагрузка

Рисунок 4 - Схема протекания токов (а) и векторная диаграмма (б) для случая большого расстояния от подстанции до нагрузки

Рассмотрим векторную диаграмму на рисунке 4б. Здесь ток кон­тактной сети вызывает в контуре "рельсы—земля" эдс взаим­ной индукции . Эта эдс в свою очередь вызывает в земле вих­ревой ток , уменьшая поток, пронизывающий контур «кон­тактный провод—земля».

Вихревой ток приводит к увеличению плотности тока в поверхнос­тных слоях и уменьшению в удаленных от поверхности слоях земли.

Поскольку часть вихревого тока отводится в рельсы и для этого тока контур "рельсы—земля" будет обладать большим индуктив­ным сопротивлением, то вектор тока в рельсах отклонится от на большой угол. Суммарный же ток в рельсах и земле, есте­ственно, остается равным , а разность между токами и дает (см. рисунок 3,б) эквивалентный ток в земле .

Если бы рассматривать такую векторную диаграмму для точки, расположенной вблизи подстанции или нагрузки (см. рисунок 2), где в рельсах сохраняется некоторая часть тягового тока (обозначим ее ), то сумма токов должна была бы равняться Везде ниже будем пренебрегать этой частью тока ,полагая, что в рельсах есть только вихревой ток, т. е. будем рас­сматривать только контуры 2) и 3).

Для упрощения распределения тягового тока между рельсами и землей принимают, как и для постоянного тока, что сопротивле­ние земли равно нулю. При этом распределение тока будет опре­деляться сопротивлением рельсов и переходным сопротивлением от рельсов к земле. Последнее включает в себя сопротивление зем­ли и принимается не зависящим от расположения нагрузок отно­сительно подстанций.

В действительности при различном расположении нагрузок влияние сопротивления земли на переходное сопротивление будет различно. Но так как это влияние невелико, то для практических расчетов допущение независимости переходного сопротивления от расположения нагрузок на участке вполне оправдано.

Обозначим коэффициенты взаимоиндукции между контура­ми: "первый рельс—земля" и "контактный провод—-земля", "несущий трос—земля" и "рельс—земля", "первый (левый) рельс— земля" и "второй (правый) рельс—земля" соответственно через и

Для однопутного участка ток в одном рельсе будет равен . Поэтому эдс, наведенная в контуре "рельс—земля", отнесенная к 1 км,

(1)

Выражая ток в контактном проводе и в несущем тросе через ток в контактной сети , получим

, (2)

где — сопротивление взаимоиндукции между кон­турами

" контактный провод—земля" и "рельс—земля";

- сопротивление взаимоиндукции между конту­рами "несущий трос—земля" и "рельс—земля";

— сопротивление взаимоиндукции между контурами "пер­вый рельс—земля" и "второй рельс—земля".

Обозначив, как и при посто­янном токе, приращение тока на элементарном участке рель­са dx через dlpx , можно написать (рисунок 4)

, (3)

где — потенциал рельса в точке с координатой х; — переходное сопротив­ление для пути (двух рельсов).

1 — подстанция; 2 — электро­воз;.3 —- контактный провод; 4 —рель­сы; 5— переходное сопротивление; 6 — земля

Рисунок 5 - Схема участка однофазного тока с одной подстанцией и одной на­грузкой

Обозначив через приращение потенциала рельса и приняв за положительное направление оси х и тока в рельсах указанные на рисунке 5 направления слева направо от начала 0, можно написать

,

(4)

Эквивалентное сопротивление контура "рельсы—земля"

. (5)

Эквивалентное сопротивление взаимоиндукции контуров "кон­тактная сеть—земля" и "рельс—земля"

(6)

Сопротивление рельсов зависит от протекающего по ним тока, т.е. не является постоянной величиной. Учет этого приводит к существенным осложнениям, поэтому обычно довольствуются приближенным решением, принимая постоянным и равным среднему его щначению по длине пути.

В результате решения уравнений (3) и (4) получим выра­жения для потенциала и тока в рельсах:

(7)

, (8)

где и .

Уравнения (7) и (8) являются общими. Из этих уравне­ний легко получить выражения для потенциала и тока в рельсах для участков постоянного тока, положив и (так как ).

Постоянные А и В, как обычно, определяются в зависимости от конкретных условий задачи. Следует отметить, что они явля­ются комплексными величинами. При расположении на линии одной подстанции и одной нагрузки наиболее общей будет схема рисунок 6.

Рисунок 6 - К расчету участка однофазного тока при одной нагрузке и одной подстанции

Здесь участки 2 и 3 конечной длины и и точка 0 для большей общности выводов присоединена к специальному заземлению . Если такого заземления нет, то в соответствующих фор­мулах надо положить . Постоянные для этого случая получаются громоздкими, но при необходимости их можно найти в [I]. Здесь ограничимся наиболее распространенным случаем, когда . При этом постоянные А и В могут быть получены из следующих условий (рисунок 6). Потенциалы на границах участка 1 и равны соответственно потенциалам на границах участков 2 и 3 и :

(9)

(10)

На крайних участках (2 и 5) тока в контактной сети, а следова­тельно, и эде взаимоиндукции в рельсах нет. Поэтому для них справедливы уравнения, выведенные для постоянного тока, если в них ввести то же значение , что и в выражении (8). Учтя, что и следовательно, , получим:

(11)

(12)

Далее, сумма токов в каждом из узлов 0 и 0' равна нулю (на рисунке 5 показано направление токов в рельсах, принятое за поло­жительное);

, (13)

, (14)

где — токи в рельсах, притекающие к точке 0, соответ­ственно на участках 1 и 2;

— токи рельсов, утекающие от точки 0', соответственно на участках 1 и 3.

Ток, текущий через заземление подстанции, может быть выражен через потенциал отсасывающей линии:

(15)

Подставив в уравнения (9) — (15) выражения потенциалов и токов из уравнений (7) и (8) и решив их относительно А и В, получим

(16)

(17)

Подставив выражения (16) и (17) в уравнения (7 ) и (8), получим формулы для определения соответственно потенциала и тока в рельсах:

(18)

(19)

Аналогичным образом могут быть выведены расчетные фор­мулы для других исходных условий.

Литература [1],[2],[4],[10]

Лекция 7. Гальваническое влияние электрических железных дорог на подземные сооружения