Тема 1.4.6 Методы и средства защиты линий СЦБ от коррозии
Коррозия. Разрушение, вызываемое физическим или электрохимическим воздействием внешней среды, называют коррозией металлической оболочки и брони кабелей. В зависимости от характера этого воздействия различают почвенную (электрохимическую), межкристаллитную коррозию и электрокоррозию блуждающими токами.
Почвенная (электрохимическая) коррозия металлических покровов (оболочки и брони) кабелей происходит в результате воздействия на них органических и неорганических кислот, щелочей и солей, находящихся к почве.
Присутствующие к почве кислоты, щелочи и соли, растворенные в почвенной влаге, являются электролитом. При соприкосновении электролита с металлом (оболочкой или броней кабеля) на его поверхности образуется множество микроскопических гальванических элементов. Электродами в этих элементах являются зерна металла, разнородные по структуре, или металл и находящиеся в нем примеси. Токи, протекающие в этих гальванических элементах, и вызывают коррозию металла, аналогичную коррозии цинка в обычном гальваническом элементе. Такие гальванические элементы могут образоваться в результате контакта в электрической среде двух разнородных металлов, например алюминиевой оболочки и брони кабеля.
Причиной почвенной коррозии может явиться неоднородный состав почвы вдоль оболочки кабеля или различная по длине кабеля концентрация агрессивных веществ. В этом случае вдоль оболочки кабеля также создается некоторая разность потенциалов, вызывающая ток в оболочке и ее разрушение в месте выхода тока в почву.
Для свинцовой оболочки кабелей наиболее опасным является присутствие в почве уксусной кислоты, извести, нитратов (азотнокислых солей) и перегноя от органических веществ. Грунт с большим содержанием известняка (мергельный), а также насыпные грунты с содержанием в них каменноугольной смолы и доменных шлаков, представляющих собой сильные щелочи, также повреждают свинцовую оболочку кабелей. Для стальной брони кабелей наиболее опасными являются хлористые, серные и сернокислые соединения, находящиеся в почве. Для алюминиевой оболочки кабелей коррозионно опасной считается влажная почва любого состава.
Электрическая коррозия металлических покровов кабеля, возникающая под действием токов, блуждающих в земле, по сравнению с почвенной является более опасным видом коррозии. Рассмотрим причины возникновения блуждающих токов.
Электровозы и электросекции на ряде дорог питаются постоянным током, подаваемым от тяговых подстанций по контактной сети. Обратным проводом, по которому ток возвращается на тяговую подстанцию, являются рельсы. Вследствие того что рельсы представляют для тока сопротивление, большая часть возвращающегося на подстанцию тока ответвляется в землю и протекает по земле. Этот ток и называют блуждающим.
В случае если параллельно рельсам проложен подземный кабель, блуждающий ток будет стремиться пройти по металлической оболочке и броне кабеля. У места нахождения электровоза ток будет входить в оболочку и броню кабеля, а в районе тяговой подстанции — выходить из них. Те участки кабеля, на которых токи, блуждающие в земле, входят в оболочку и броню кабеля, называют катодными зонами, так как оболочка и броня кабеля на этих участках имеют отрицательный потенциал по отношению к окружающей среде. Участки кабеля, на которых блуждающие токи выходят из оболочки и брони кабеля в землю, называют анодными зонами, так как на этих участках оболочка и броня имеют положительный потенциал по отношению к земле. В месте выхода тока из оболочки и брони, т. е. к анодной зоне, будет происходить электролиз металла оболочки и стальной брони, вызывающий их коррозию. Постоянный ток 1 А, выходящий из оболочки и брони кабеля в землю, в течение года может разрушить около 35 кг свинца, 9 кг стали или 3 кг алюминия. Блуждающие токи, протекающие по оболочке кабеля, в особо неблагоприятных случаях могут достигать десятков ампер.
Кабель со свинцовой оболочкой, проложенный в земле, считается защищенным от коррозии в том случае, если во всех точках потенциал оболочки кабеля по отношению к земле отрицательный. Коррозия алюминиевых оболочек кабелей, вызываемая постоянным блуждающим током, может происходить на анодных и на катодных участках.
Блуждающие токи на участках дорог, электрифицированных по системе однофазного переменного тока, также протекают по оболочке и броне проложенных вблизи кабелей. Однако эти токи имеют переменный но знаку потенциал (по отношению к земле), изменяющийся с периодичностью 100 раз в секунду, и вследствие этого практически не оказывают коррозионного воздействия на свинцовую оболочку и стальную броню кабелей.
Алюминиевые оболочки кабелей могут корродировать под воздействием блуждающих переменных токов. Поэтому в конструкции кабелей с алюминиевой оболочкой предусмотрена ее защита в виде пластмассового шланга или нескольких слоев поливинилхлоридной ленты.
Эти покрытия надежно защищают алюминиевую оболочку от почвенной коррозии и коррозии блуждающим постоянным или переменным током. Эффективность покрытия имеет место только в том случае, если в стыках строительных длин проложенного кабеля его концы и соединительная или разветвительная муфта надежно изолированы от земли.
Межкристаллитная коррозия свинцовых оболочек кабеля возникает вследствие его длительной вибрации, вызываемой движущимся транспортом, если кабель проложен на железнодорожных или автодорожных мостах или вблизи от железнодорожных или трамвайных путей, и при длительной транспортировке кабеля, если барабаны с кабелем недостаточно амортизированы. Знакопеременные нагрузки в оболочке, возникающие при вибрации кабеля, приводят к усталости материала оболочки и ее растрескиванию, происходящему преимущественно по границам кристаллитов (зерен) свинца. В появившихся мелких трещинах образуется окись свинца, что ускоряет коррозию. Алюминиевые оболочки кабелей практически не подвержены межкристаллитной коррозии.
Зашита кабелей от почвенной коррозии. Чтобы предохранить кабель от почвенной коррозии, трассу кабелей следует выбирать так, чтобы она не проходила в грунтах с большим содержанием извести, в болотистых и топких местах. Необходимо обходить места скопления кислот и участки с насыпными грунтами, содержащими каменноугольные смолы и шлаки, места свалок мусора и промышленных отходов, а также района стока загрязненных промышленных вод. В тех случаях, когда не представляется возможным избежать прокладки кабеля в таких грунтах, для защиты металлических оболочек кабелей применяют кабели с пластмассовыми изолирующими покрытиями оболочки. Хорошую защиту от почвенной коррозии дает прокладка кабелей на участках с агрессивными грунтами в асбестоцементных трубах.
Для защиты кабелей от почвенной коррозии используют также электрические методы защиты (катодные установки, протекторы).
Защита кабелей от коррозии блуждающими токами. Одним из основных мероприятий по защите кабелей от коррозии блуждающими токами на дорогах, электрифицированных на постоянном токе, является ограничение токов утечки из рельсовых нитей в землю. Для этого повышают электрическую проводимость рельсовых нитей и переходное сопротивление между рельсами и землей Повышение электрической проводимости рельсовых нитей достигается установкой в месте стыков отдельных звеньев рельсов приварных рельсовых соединителей, которые делают из скрученных в жгут медных проволок общей площадью поперечного сечения не менее 70 мм2. При этом сопротивление стыка не должно превышать сопротивления сплошного рельса длиной 3 м
Увеличение переходного сопротивления между рельсами и землей достигают применением шпал, пропитанных креозотом или другими масляными антисептиками, не проводящими тока, щебеночного или гравийного балласта и отводом воды с поверхности пути.
Сопротивление изоляции рельсовых нитей, уложенных на железобетонных шпалах, должно быть не ниже, чем при деревянных шпалах. Для этого между подошвой рельса и железобетонной шпалой устанавливают резиновые прокладки, а болты, крепящие рельс к шпале, изолируют от шпалы изоляционными втулками и шайбами. На станциях и перегонах между подошвой рельса и балластом должен быть зазор не менее 30 мм.
Правилами техники безопасности предусмотрено электрическое соединение металлических и железобетонных опор контактной сети с ходовыми рельсами. Если сопротивление заземления этих опор меньше 20 Ом, то для уменьшения утечки токов из рельсов в землю опоры на перегонах и станциях присоединяют к рельсам не непосредственно, а через искровые промежутки (искровые разрядники). Кроме того, рельсовые нити изолируют от ферм мостов и железобетонной арматуры.
Другим мероприятием по защите кабелей от коррозии блуждающими токами является повышение переходного сопротивления между кабелем и окружающим его грунтом, а также между кабелем и рельсами электрической железной дороги или трамвая. Для этого кабели стараются по возможности прокладывать вдали от рельсов. В местах пересечения кабелей с рельсами устраивают кабельную канализацию из асбестоцементных труб. Наряду с применением дополнительных изолирующих покрытий аналогично защите от почвенной коррозии осуществляют прокладку кабелей в деревянных или железобетонных желобах.
При прокладке кабелей по металлическим или железобетонным мостам эти кабели тщательно изолируют, не допуская электрического соединения металлических оболочек кабеля или стальных труб, в которых он проложен, с металлическими деталями мостов.
Повышение переходного сопротивления между кабелем и рельсами достигается выполнением рекомендаций по прокладке и монтажу кабелей: об изоляции кабеля от корпусов релейных шкафов, изоляции от муфты светофорного стакана и металлического основания светофорной мачты и т. п.
Наряду с перечисленными методами защиты широко применяют электрические методы защиты кабелей от коррозии блуждающими токами, к которым относятся электрический дренаж, катодная защита, анодные электроды и электрическое секционирование.
Электрический дренаж представляет собой устройство для отвода блуждающих токов со свинцовой оболочки и брони кабеля, проложенного в земле, в электрическую систему, которая создает эти токи.
Рисунок 145- Схемы электрического (а) и вентильного (б) дренажей
Электрический дренаж присоединяют к кабелю в точке, где потенциал кабеля выше потенциала той части сети, куда отводятся блуждающие токи, т. е. в анодной зоне. Если такое состояние потенциалов остается постоянным, то применяют так называемый простой электрический дренаж (рис. 145, а), который представляет собой провод, изолированный от земли и соединяющий оболочку и броню защищаемого кабеля с тяговым рельсом или другой частью обратной сети. Так как при наличии дренажа ток из оболочки и брони кабеля отводится через дренажный провод, то электролиз (коррозия) в месте выхода тока из оболочки кабеля отсутствует. Резистор R включают в цепь дренажа для ограничения тока в этой цепи. Для этого же служит и плавкий предохранитель FLJ. При перегорании предохранителя реле Р, включенное параллельно предохранителю, замыкает контакты и по сигнальной цепи передается сигнал о выключении дренажной установки. Подключив к зажимам 1-2 амперметр и выключив рубильник, можно измерить ток, отводимый через дренаж.
Данная схема электрического дренажа очень проста и обладает существенным недостатком, так как применима только в устойчивых анодных зонах. Если в месте подключения дренажа, имеющего двустороннюю проводимость, потенциал рельсов изменится и станет выше потенциала оболочки кабеля, то в дренаже появится обратный ток, т. е. ток из рельсов в оболочку кабеля. Обратный ток. протекающий по оболочке кабеля, будет уходить с оболочки кабеля в землю в другом месте, т. е. образовывать анодную зону там. где дренажа может не оказаться, и, следовательно, в этом месте будет наблюдаться коррозия оболочки кабеля.
Поляризованный дренаж получил более широкое распространение для защиты кабелей от коррозии. Он обладает односторонней проводимостью. Известен целый ряд конструкций поляризованных дренажных установок с применением в схеме поляризованных реле и вентилей.
В качестве примера рассмотрим наиболее простую схему поляризованного дренажа с селеновым выпрямителем или германиевым диодом (рис. 145, б), называемого вентильным дренажем. Из оболочки кабеля ток может свободно идти к рельсам, а в том случае, когда потенциал рельсов станет выше потенциала оболочки кабеля, тока в цепи дренажа практически не будет, так как включенный в цепь вентиль V представляет для токов обратного напряжения большое сопротивление.
Катодную защиту предусматривают в местах с явно выраженными анодными зонами на кабельных оболочках. Принцип действия этой защиты заключается в том, что на участках, где наблюдается выход блуждающих токов из оболочки кабеля, к последней подключают отрицательный полюс какого-либо источника постоянного тока. Обычно постоянный ток получают от выпрямителя (селенового или собранного на германиевых диодах), получающего питание от сети перемещенного тока.
Схема катодной установки (рис. 146) состоит из выпрямителя В, получающего питание от сети переменного тока напряжением. 120.220 В через трансформатор Т. Отрицательный полюс выпрямителя на стороне выпрямленного напряжения подключают в анодной зоне к металлической оболочке и броне кабеля, а положительный полюс — к специальному заземлители) (аноду), имеющему сопротивление растекания порядка 1 -5 Ом и устанавливаемому на расстоянии не менее 50 м от защищаемого кабеля Ток от положительного полюса выпрямителя В течет по изолированному от земли проводу к заземлителя) и далее, растекаясь по земле, входит в оболочку кабеля и возвращается по другому проводу к отрицательному полюсу выпрямителя. Регулируя ток, получаемый от выпрямителя, при подключении к различным выводам трансформатора, можно добиться того, что потенциал оболочки кабеля к земле станет отрицательным, и положительные потенциалы, создаваемые блуждающими токами, будут скомпенсированы. Иными словами, анодная зона на кабеле превратится в катодную.
В зависимости от типа катодных установок их изготавливают с селеновыми и кремниевыми выпрямителями с выпрямленным током от 3 до 100 А и выпрямленным напряжением от 3 до 60 В.
Если положительный полюс катодной установки присоединяют непосредственно к рельсам, то такое устройство называют усиленным электрическим дренажом. Такой дренаж аналогично обычному поляризованному дренажу отводит блуждающий ток в рельсы, усиливает эффект защиты оболочки и брони кабеля с помощью компенсации на них положительного потенциала.
При погружении металла в электролит возникает разность потенциалов между металлом и электролитом, которую называют электрохимическим потенциалом данного металла. Разные металлы обладают различными положительными и отрицательными электрохимическими потенциалами; например, свинец около —0,2 В, алюминий —0,53 В. сталь 0,55 В, магний 2,3 В. литий —3,0 В и т. п. На этом свойстве металлов основан метод защиты кабеля от электрической и почвенной коррозии при помощи анодных электродов (протекторов). Этот метод несколько сходен с катодной защитой, но менее совершенен.
Он заключается в том, что на расстоянии от 2 до 6 м от защищаемого участка кабеля в землю закапывают металлический электрод, имеющий более низкий потенциал, чем потенциал защищаемой оболочки, и соединяют его изолированным проводом с оболочкой кабеля. Здесь образуется гальванический элемент, в котором анодом является электрод, катодом защищаемый кабель, а электролитом окружающая почва. Ток, протекая от анода к катоду, компенсирует положительные потенциалы в оболочке кабеля, создаваемые блуждающими токами, и защищает оболочку от коррозии.
Электрод (рис. 147) представляет собой цилиндр 1 из сплава магния, алюминия и цинка или из сплава магния и алюминия. В центр цилиндра заплавляют контактный стержень 2 из стали диаметром 6 8 мм, к которому присоединяют провод 4, идущий к защищаемому кабелю. Между электродом и грунтом помещают заполнитель (деполяризатор) 3 из смеси глины, гипса и сернокислого магния или из других подобных смесей. Основное назначение заполнителя - это деполяризация электрода для обеспечения его длительной работы. Зона действия протектора невелика (не более нескольких десятков метров), и поэтому их устанавливают вдоль трассы защищаемого кабеля на расстоянии 50—100 м друг от друга. Использование протекторной защиты дает положительные результаты только в тех случаях, когда положительный потенциал металлических покровов кабеля не превышает 0,3—0,4 В.
 | |
| Рисунок 146. Схема катодной установки | Рисунок 147 Анодный электрод, установленный в грунте. |
Электрическое секционирование металлических покровов кабеля также защищает кабель от коррозии. Оно заключается в том, что через определенные промежутки на кабеле устанавливают изолирующие муфты и таким образом нарушают электрическое соединение брони и металлической оболочки соседних участков кабеля. На отдельные изолированные друг от друга участки кабеля поступает меньше блуждающих токов и вследствие этого снижается их коррозионное воздействие.
Однако следует иметь в виду, что изолирующие муфты снижают коэффициент защитного действия металлических покровов кабеля от магнитного индуктивного влияния тяговых переменных токов и токов линий электропередачи.
Обычно изолирующие муфты предусматривают в местах выхода кабелей за пределы подземных сооружений метрополитена, на переходах трассы через реки и другие водные преграды, а также в местах пересечения с рельсами электрифицированного транспорта.
Металлическое соединение оболочки и брони кабелей снижает коррозию кабелей блуждающими токами. Его применяют в местах установки оконечных, промежуточных и тройниковых муфт, а также боксов. При прокладке нескольких кабелей в одной траншее или в общей канализации правилами по защите от коррозии блуждающими токами рекомендуется выполнять металлическое соединение свинцовых оболочек и брони всех прокладываемых кабелей между собой металлическими лентами или проводами. Такие соединения обычно осуществляют во всех кабельных колодцах, в местах ответвления одного или нескольких кабелей в другую траншею, в местах присоединения кабелей от катодных и дренажных установок, у места установки контрольных измерительных пунктов, в стыках строительных длин кабелей и т. п.
Такую защиту предусматривают только для кабелей со свинцовой оболочкой. Если кабель предназначен для прокладки на участках, подверженных сильной вибрации (например, на железнодорожных и автодорожных мостах), то для повышения стойкости свинцовой оболочки к межкристаллитной коррозии и вибронагрузкам при изготовлении кабельной оболочки в свинец добавляют присадки других металлов (сурьму и др.). Кабель прокладывают по мосту целым куском, так как в местах установки соединительных муфт межкристаллитная коррозия проявляется сильнее. Для снижения вибрации кабеля его прокладывают в коробах, наполненных песком, делают амортизационные прокладки из резины и т. п.
Защита кабелей от коррозии любыми из перечисленных выше методов дает эффект лишь в том случае, если во время эксплуатации кабеля проводят систематические наблюдения за распределением потенциалов в металлических оболочках и за работой дренажных, катодных и других установок.