Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Дренажом в мелиорации называют отвод грунтовых вод, а в теории и практике электрохимической защиты отвод блуждающих токов. Есть, кстати, и в медицине дренажные системы.
В главе 4 показано, что блуждающие токи рельсового электротранспорта являются той частью тягового тока, которая возвращается к своему источнику тяговой подстанции по земле. Стекает ток в землю вдалеке от тяговой подстанции, а натекает на рельсы вблизи нее. Стекающий (анодный) ток поляризует рельсы положительно (Uр > 0), натекающий отрицательно (Up < 0). Причем наиболее отрицательный потенциал наблюдается на рельсах в точке подключения тяговой подстанции, наиболее положительный на границе зоны питания данной и соседней тяговых подстанций.
В трубопроводной сети, наоборот, вблизи тяговой подстанции блуждающий ток стекает с трубопровода, разрушая его. При этом трубопровод поляризуется положительно, т.е. его фактический потенциал Uт становится больше его стационарного Uст. Вдали от тяговой подстанции трубопровод получает, наоборот, отрицательное или катодное смещение и, следовательно, независимо от нашего желания здесь трубопровод электрохимически защищается.
На рис.10.1, а приведена типичная картина распределения потенциала в рельсах Uр и на трубопроводе Uт при отсутствии электродренажной защиты. Очевидно, что в районе тяговой подстанции на трубопроводе возникает анодная зона, зона стекания тока. Нейтрализовать эту анодную зону, изменив направление тока, сделав ток натекающим на трубу, и призвана электродренажная защита.
Электродренажная защита это катодная поляризация трубопровода с помощью блуждающих токов.
Соединим трубопровод с рельсами кабелем, причем сделаем это вблизи тяговой подстанции (рис.10.1,б). Ток, ранее стекавший с трубопровода в землю, теперь будет отводиться из него “организованно”, т.е. по перемычке. Такая перемычка называется дренажной, а установка в целом электродренажом.
Казалось бы, задача электродренажа отвести ток, решена. Остается в дренажную перемычку Rд включить амперметр для контроля, предохранитель для безопасности от очень больших токов, рубильник для оперативного управления и электродренажная установка укомплектована.
Рис. 10.1. Изменение потенциала вдоль рельсовой линии Uр и трубопровода Uт без дренажной защиты (а) и с дренажной защитой (б) при различных значениях сопротивления дренажа Rд, где кривые 1 и 1 соответствуют разрыву дренажной цепи, кривые 3 и 3 значению Rд близкому к нулю, кривая 2 состояние не полной защиты.
Что касается рубильника, то здесь все ясно. Но возможно ли отвести весь ток, попавший на трубопровод? Ведь ток может возвращаться к рельсам не только по перемычке, как нам хотелось бы, но и по земле, т.е. двумя параллельными путями, что и показано на рис.10.1,б, кривая 2. Дренаж может оказаться не очень эффективным.
Действительно, возьмите в качестве дренажного кабеля тонкую проволоку и никакого защитного эффекта не получите, поскольку дренируемый ток в этом случае будет слишком мал из-за высокого электрического сопротивления дренажного провода. Большая часть тока будет возвращаться в рельсы по земле
Но вообразите кабель бесконечно большого сечения так, чтобы падением напряжения в нем вообще можно было бы пренебречь. В этом случае трубопровод в точке дренажа ничем не будет отличаться по потенциалу от рельсов по другую сторону перемычки. Трубопровод превратится как бы в часть рельсовой сети. И поскольку на рельсы в районе перемычки ток натекает (так как дренаж, по нашему условию, установлен вблизи тяговой подстанции), то и на трубу, как часть рельсов, ток также будет только натекать. Этим доказана принципиальная возможность электродренажной защиты вообще: при достаточно малом сопротивлении дренажной цепи ток на трубу только натекающий (рис. 10.1,б, кривая 3).
Мы вообразили дренажный кабель бесконечно большого сечения или лучше сказать предельно малого сопротивления. Можно с уверенностью предположить, что в этом случае дренажный ток, а также и защитное смещение потенциала трубопровода Uт.защ , будут предельно большими.
Далее остается подобрать оптимальное сечение дренажного кабеля в зависимости от требуемой величины смещения Uт.защ.
Если ток велик, то в дренажную цепь включают регулировочный реостат, посредством которого в процессе наладки снижают ток и, следовательно, уменьшают величину Uт.защ. Разумеется, при этом предварительно выполняют расчет оптимального сопротивления дренажной цепи Rд и подбирают кабель достаточно малого сечения.
Если напротив дренажный ток мал и недостаточен для защиты при любом большом сечении кабеля, то или отказываются от применения электродренажа вообще и применяют катодную станцию, или же в дренажную цепь включают дополнительный источник тока, т.е. опять же используют некую катодную станцию, встроенную в электродренажную цепь.
В установку электродренажной защиты входят: шкаф с приборами и аппаратами, кабельная линия и контактные устройства соответственно на трубе и рельсах. В зависимости от содержимого шкафа и принципа работы установки дренажи бывают трех типов:
прямые;
поляризованные ;
усиленные.
Применение того или иного типа определяется, прежде всего, соотношением потенциалов в точках дренажа на рельсах Uр и на трубопроводе Uт, что в свою очередь зависит от действительного распределения тяговой нагрузки в рельсовой сети и удаленности дренажа от тяговой подстанции.
10.2.1. Прямой электродренаж
Прямой электродренаж (рис.10.2) применяют в устойчивой «минусовой» зоне на рельсах, что имеет место вблизи тяговой подстанции, как, например, в случае, представленном на рис.10.1, б. В такой ситуации всегда
Uр < Uт , (10.1)
где Uр, Uт разности потенциалов рельс-земля и труба-земля в точках дренажа.
Рис. 10.2. Схема прямого дренажа, где S рубильник; F плавкий предохранитель; R регулировочный реостат; R1 калиброванный шунт амперметра; Т, Р зажимы для подключения дренажного кабеля.
Вместо условия (10.1), конечно, более корректно неравенство р < т, где р и т есть потенциалы рельсов и трубопровода относительно “далекой” земли.
Применение прямого дренажа далеко не всегда допускается. Потенциал рельсов, даже непосредственно у тяговой подстанции, может, хотя бы на короткое время, менять свой знак. Это связано с характером тяговой нагрузки: она нестабильна и во времени, и в пространстве, как нестабильно положение электропоезда на линии и его токовая нагрузка в процессе движения. В этом случае прямой дренаж небезопасен, поскольку изменение знака потенциала рельсов ведет к изменению направления тока в дренажной цепи: ток пойдет не из трубопровода в рельсы, а наоборот, из рельсов в трубопровод. Но затем он где-то все же выйти из трубопровода в землю! В этом случае следует от прямого дренажа перейти к поляризованному.
10.2.2. Поляризованный электродренаж
Поляризованный электродренаж применяют при условии
Uр Uт , (10.2)
т.е. при знакопеременной разности потенциалов между рельсами и трубопроводом.
На рис.10.3 проиллюстрирована причина возникновения ситуации (10.2).
В рельсовой сети на границе анодной и катодной зон находится так называемая точка нулевого потенциала, в которой Uр = 0 (по стальному электроду сравнения), или Up = Ucт (по МЭС). Однако эта точка беспрерывно меняет свое положение, поскольку беспрерывно меняет свою конфигурацию эпюра потенциала Up. Так, при перегрузке участка рельсовой линии вблизи тяговой подстанции нулевая точка xo сместится влево, при перегрузке дальних участков вправо.
Рис. 10.3. Изменение положения нулевой точки xo эпюры потенциалов в рельсовой линии в связи с изменением параметров тяговой нагрузки.
Если в районе нулевой точки подключен дренаж, то при Up > Uт в его цепи в какой-то момент обязательно возникнет обратный ток из рельсов в трубопровод. Это не приведет ни к чему иному, кроме как к успешному разрушению трубопровода.
Другая причина смещения нулевой точки xo в сторону тяговой подстанции связана с перегрузкой дренажным током. Если в районе данной тяговой подстанции к рельсам подключен мощный электродренаж или даже несколько дренажей различных владельцев, то при подключении нового дренажа рельсы приобретают дополнительное положительное смещение потенциала (также как трубопровод отрицательное). Следовательно, протяженность «минусовой» зоны в рельсах снижается, а «плюсовой» на столько же увеличивается.
Таким образом, угроза появления положительного потенциала на рельсах в точке дренажа делает опасным включение прямого дренажа. В этом случае применяют поляризованные электродренажи устройства, обеспечивающие одностороннюю проводимость дренажной цепи.
На рис.10.4 показана схема поляризованного электродренажа. Отличается он от прямого тем, что в него включен полупроводниковый диод D или блок диодов, благодаря которому при Uт > Up дренажная цепь работает, а при Up > Uт она автоматически разрывается.
Правда, при разрыве цепи электрохимическая защита вообще перестает действовать: нет обратного тока, но нет и прямого, защитного. Если временнóй промежуток, когда дренажная цепь разорвана, относительно невелик, то работа поляризованного дренажа считается эффективной. Если дренаж больше отключен, чем включен, то вместо поляризованного применяют так называемый усиленный дренаж.
Рис.10.4. Электрическая схема поляризованного электродренажа, где D диод; Rд балластное сопротивление. Остальные условные обозначения на рис. 10.2.
Балластные сопротивления Rд, одинаковые по величине и включенные последовательно с диодами, обеспечивают равномерность загрузки ветвей, поскольку завод-изготовитель не гарантирует приемлемый разброс статических сопротивлений диодов.
10.2.3. Усиленный электродренаж
Условие применения усиленного электродренажа
Up > Uт , (10.3)
т.е. при преобладании положительного знака потенциала рельсов Up в знакопеременной зоне, когда поляризованный дренаж уже не эффективен.
Усиленный дренаж это не просто традиционный дренаж как устройство для отвода блуждающего тока. Он фактически является катодной станцией, у которой рельсы используются в качестве анодного заземлителя. Усиленный дренаж, схема которого показана на рис. 10.5, это выпрямитель сетевого переменного тока.
Рис. 10.5. Схема усиленного электродренажа, где V сетевой выпрямитель переменного тока, в данном случае мостовой. Остальные обозначения см. выше.
Сетевой ток после выпрямления поступает от “плюса” дренажа (зажим Р) в рельсы, затем в землю, после чего на трубопровод и, далее, к “минусу” (зажим Т) источника. Защищает трубопровод сетевой ток совместно с дренажным током, если, конечно, он в этот момент протекает в данной дренажной цепи.
Рельсы “жертва защиты”, поскольку они, как и положено аноду, разрушаются. Владельцы рельсового хозяйства обычно не возражают, потому что рельсы и без того разрушаются. Во-первых, на рельсах в этом районе анодная зона и, во-вторых, механический износ головки рельса идет быстрее электрохимического растворения подошвы рельса.
При подключении усиленного дренажа к рельсам электрифицированной железной дороги (не трамвая) руководствуются рядом ограничений. Так, не допускают появление устойчивого положительного потенциала в рельсах в точках отсоса, не допускают подсоединение дренажей непосредственно к рельсам. Дренажи подключаются к средним точкам путевых дросселей (между двумя катушками, соединяющими рельсы одной колеи и предназначенными для обслуживания цепей сигнализации и управления (СЦБ)).
Современные усиленные электродренажи имеют цепи автоматического управления для поддержания заданного защитного потенциала в точке дренажа. Иногда устанавливают дополнительный анодный заземлитель и автоматически переключаются на него в тот момент, когда на рельсах возникает слишком высокий положительный потенциал.
Отечественные фирмы выпускают две марки поляризованных дренажей: ЭДП «Тополь» Ставропольским заводом «Сигнал» и ДРП-М1 Ставропольским концерном «Энергомера». Тот и другой дренажи однотипные диоднорезисторные, на ток от 100 до 500 А в зависимости от типоразмера, нерегулируемые по току и сопротивлению, различаются конструктивным исполнением, их масса от 65 до 90 кг. Диоднорезисторный блок (см. схему рис. 10.4) состоит из 10…15 D-R-цепочек с балластными сопротивлениями Rд = 0,125…0,24 Ом.
Находятся также в эксплуатации отечественные поляризованные электродренажи ПД-3А и ПГД.
Электродренаж ПД-3А рассчитан на номинальный ток 500 А с допустимой перегрузкой до 1000 А в течение не более 30 с. Выпрямительный блок состоит из 6 параллельно включенных кремниевых диодов (вентилей). Из-за резко нелинейной вольтамперной характеристики кремниевого вентиля дренаж полностью открывается лишь при напряжении, превышающем 0,7 В. Электродренаж включает в себя блок регулировочного сопротивления из 4-х секций, имеет габариты 820х410х310 мм, массу 30 кг.
Электродренаж ПГД выпускается в трех модификациях: ПГД-60М, ПГД-100М и ПГД-200М на 60,100 и 200 А соответственно. Регулировочное сопротивление выполнено из 10 секций по 0,05 Ом каждая. Габариты дренажного шкафа - 665х365х285 мм.
10.3.1. Общие требования к расчетной схеме
Расчет распределения блуждающих и защитных токов в системе рельсовая сеть-земля-трубопроводная сеть можно выполнить лишь с использованием по программ АРМ ЭХЗ-8П.
Расчет начинают с подготовки расчетной схемы нагруженной рельсовой сети, с приемлемой точностью задающей потенциальное поле токов в земле з .
Как показывают расчеты, и это не противоречит натурным данным, на формирование потенциала в земле и на трубопроводе могут оказать влияние участки рельсовой сети, отстоящие от рассматриваемой точки на многие километры.
Для сложных неподдающихся предварительному анализу ситуаций можно, повидимому, руководствоваться следующими правилами:
учитываемая рельсовая сеть по протяженности должна превышать максимальную протяженность рассматриваемого трубопровода в 2...3 раза;
верхний предел протяженности учитываемой рельсовой сети в большинстве реальных ситуаций не превышает расстояния между соседними тяговыми подстанциями.
И вообще, в ситуации с рельсами вполне приемлемо правило: лучше длиннее, чем короче. Тем более, что шаг дискретизации на удаленных участках расчетной схемы рельсовой сети можно допустить весьма значительным.
10.3.2. Шаг дискретизации рельсовой линии
Сразу же следует подчеркнуть, что задача выбора шага дискретизации (Lp) для рельсовой сети решается с использованием тех же правил, что и для трубопроводной сети (см. главу 7). И поэтому можно без какого-либо обоснования согласиться с тем, что минимальное значение шага дискретизации для рельсовой сети, как и магистрального трубопровода, равно Lp.min = 200 м.
Максимальное значение шага (Lp.max ) определяется прежде всего характером изменения потенциала вдоль рельсовой линии. Так, если расстояние между соседними тяговыми подстанциями 25...35 км, что соответствует сетям магистральных железных дорог, то и средний шаг дискретизации на этом участке может быть взят равным Lp.max = 2...4 км , т.е. может быть принята расчетная схема с 10 узлами дискретизации.
Более сложная ситуация складывается, очевидно, при анализе городских условий, когда расстояние между подстанциями порой уменьшается до 1...2 км, к тому же рельсовая сеть разветвлена. Как правило, для городского трамвая можно принять Lp.max = (0,1...0,2) Lp, где Lp расстояние между соседними тяговыми подстанциями.
10.3.3. Погрешность поля дискретного проводника
При построении расчетной схемы рельсовой сети возникает вопрос об оптимальном положении того или иного узла дискретизации рельсов относительно ближайших узлов дискретизации трубопровода.
Рельсовая сеть моделируется не ради ее самой. Проектировщика, занимающегося вопросами ЭХЗ, распределение потенциала в рельсах в конечном счете не интересует (разумеется за исключением случаев, когда заказчиком выступает трамвайно-троллейбусное управление). Рельсовая сеть источник поля токов в земле и эту функцию дискретная модель рельсовой сети, т.е. ее расчетная схема, должна выполнять достаточно строго.
При дискретном представлении активного проводника с утечкой, каковым в данном случае является рельсовая линия, каждый отрезок дискретизации это линейный источник с неизменной плотностью тока. Такое допущение и вызывает погрешность.
Потенциал дискретного проводника р(L) меняется скачком на границе двух соседних отрезков дискретизации. Этого же можно ожидать и с потенциалом земли з(L) в непосредственной близости от активного проводника в районе стыка двух отрезков дискретизации. Но если рассматривать точки земли не очень близкие к активному проводнику, то при перемещении вдоль той же продольной оси L кривая потенциала земли з(L) будет скорее немонотонной, но уже не ломаной.
На кривой з(L) можно будет отметить две точки перегиба: а) на границе между отрезками дискретизации и б) против их центров. По мере продвижения вдоль линии L скорость изменения потенциала земли в одной из точек перегиба начнет увеличиваться (в области против центра отрезка), а в другой - уменьшаться (на стыке). В результате этого кривая потенциала земли будет волнообразной и, следовательно, многократно пересекаться с кривой истинного значения потенциала, соответствующего идеальному проводнику с утечкой, т.е. проводнику с равномерно распределенными параметрами. В точках пересечения кривых погрешность моделирования равна нулю. Очевидно, что эти точки находятся в непосредственной близости от точек перегиба, т.е. против центра и на стыке.
Таким образом, при определении взаимного положения узлов дискретизации рельсов и трубопровода следует иметь ввиду, что
наименьшая погрешность в точках против центров отрезков
дискретизации и на границах между ними..
Естественно, по мере удаления исследуемой трассы (трубопровода) от активного дискретного источника токов (рельсов) кривая изменения потенциала земли будет все более сглаживаться и, как показывают оценки, при расстоянии между ними (Lт-p ) более одного шага дискретизации Lp практически эти колебания уже незаметны, т.е.
при Lт-p > Lp погрешностью дискретизации можно пренебречь.
10.3.4. Конфигурация расчетной схемы рельсовой сети
Неразветвленная рельсовая линия
Приняв во внимание рекомендации о длине отрезка дискретизации и оптимальном положении этого отрезка относительно трубопроводной сети, следует приступить к построению расчетной схемы.
Расчетная схема рельсовой сети составляется по правилам, несколько отличным от правил для трубопроводов. Если при подготовке исходных данных для трубопроводной сети компьютер требует от пользователя сведения о цепях связи для каждого из узлов дискретизации, то в рельсовой сети по умолчанию принимают, что каждый последующий узел дискретизации связан только с предыдущим. Это упрощение оправдано логикой программиста и нисколько не мешает пользователю, даже если рельсовая сеть разветвлена или в рассматриваемой области две-три несвязанных друг с другом рельсовые сети, например, электрифицированная железная дорога и трамвай. Ниже рассмотрены эти ситуации.
И еще очень важное предварительное замечание, обусловленное особенностью пакета программ АРМ-ЭХЗ-8П. Для каждого узла дискретизации рельсовой сети задается его потенциал Up (не забыть, между прочим, что он должен быть измерен и задан относительно МЭС). В силу принятых допущений
потенциал в узле равен среднему потенциалу на отрезке дискретизации между данным узлом и следующим по номеру.
Т.е. необходимо помнить, что если задан потенциал, например, узла 8, то под этим же потенциалом находится отрезок дискретизации между узлами 8 и 9 (но не между узлами 8 и 7).
Поэтому расчет будет точнее, если вблизи некоторого, требующего особого внимания узла трубопроводной сети (например, в точке на пересечении с рельсовой линией), находиться не узел 8 и не узел 9, а центр отрезка дискретизации {8,9}. К тому же это не расходится с рекомендациями пп.10.3.3.
Можно, разумеется, воспользоваться особенностью, наблюдаемой на стыке двух соседних отрезков дискретизации, где, как отмечено выше, также погрешность приближается к нулю. Но тогда следует помнить, что на этом стыке потенциал рельсов равен среднему значению потенциалов соседних узлов. Это учитывается компьютером при расчете.
Принято, что самый последний отрезок дискретизации расчетной схемы рельсовой сети равен по длине предпоследнему и геометрически расположен как продолжение его в том же направлении.
Разветвленная рельсовая сеть
Рассмотрим особенности формирования расчетной схемы разветвленной рельсовой сети.
При создании программ АРМ-ЭХЗ-8П принято, что расчетная схема рельсовой сети это неразветвленная цепь аналогичная цепи для магистрального трубопровода. Для того чтобы моделировать также и разветвленные рельсовые линии, поступают следующим образом.
Нумеруют узлы дискретизации расчетной схемы по какой-либо одной, основной рельсовой линии. Затем в узле ответвления вводят очередной номер и продолжают нумерацию далее вдоль ответвления. Узел ответвления имеет, таким образом, двойную нумерацию.
Пусть, например, узлы основной рельсовой линии имеют нумерацию от 1 до 9, а в узле 5 - ответвление. Cовместим очередной узел 10 с узлом 5, т.е. в точке разветвления введем двойную нумерацию. Далее порядок нумерации оставим обычный от узла 10 к концу ответвления.
Если в сети есть еще ответвления, то поступают аналогично, т.е. в общем случае
конец последнего пронумерованного участка связывают с началом нового ответвления и нумерацию продолжают.
Если в данной точке рельсовой сети два ответвления (крестообразное пересечение рельсовых линий), то точка разветвления должна иметь тройную нумерацию. В принципе возможна любая кратность нумерации.
Возникает закономерный вопрос о влиянии образовавшегося таким образом фиктивного отрезка дискретизации участка, объединяющего конец основной рельсовой линии и начало ее ответвления.
Для того чтобы исключить это влияние, достаточно последнему на основной рельсовой линии узлу (разумеется, при наличии ответвления) присвоить потенциал равный нулю (при использовании АРМ-ЭХЗ-8П этот потенциал должен быть равен 0,55 В). Так, если потенциал узла 9 принять равным нулю, то автоматически окажется равным нулю и потенциал всего участка дискретизации между 9-м и 10-м узлами. Это обеспечит нулевое значение тока на фиктивном участке дискретизации и, следовательно, отсутствие поля искажений.
Таким образом, при наличии ответвления необходимо, чтобы
потенциал конечного узла основной линии, находящегося на связи с первым узлом ответвления, был равен нулю.
Аналогично подготавливают расчетную схему в случае моделирования смешанных рельсовых сетей. Пусть, например, учитываются одновременно рельсовые сети трамвая и электрифицированной железной дороги. Последовательность работы следующая.
А) Выполняют обычную нумерацию узлов одной из рельсовых линий в соответствии с методикой, изложенной выше. Пусть это будет, например, трамвайная линия с числом узлов в ней равным P.
Б) Последний узел дискретизации трамвайной линии соединяют с первым узлом дискретизации рельсов железной дороги, присваивая ему номер P+1, и продолжают нумерацию далее. Узел P+1 как начальный должен быть, разумеется, в начале рельсовой линии.
В) Задают нулевое значение тока фиктивного отрезка дискретизации [P, P+1], т.е. принимают потенциал узла P равным Uст.р.
10.3.5. Рельсовая линия как эквивалентный трубопровод
В предыдущих случаях в узлах дискретизации рельсов задавался потенциал Uр, который полагался измеренным и известным. Но может возникнуть необходимость расчета Uр по заданным токовым (тяговым) нагрузкам.
Пусть задано количество поездов, их средние токи при известном размещении тяговых подстанций. Требуется найти распределение потенциала рельсовой линии (Uр ), как первый этап решения сетевой задачи для трубопроводной сети.
В этом случае рельсовую сеть заменяют эквивалентным трубопроводом и нагружают его эквивалентными катодными станциями, воспроизводящими тяговые нагрузки. При этом токи эквивалентных СКЗ, моделирующих рельсовую нагрузку, должны иметь знак "минус", а для тяговых подстанций знак "плюс".
Анодный заземлитель у всех эквивалентных СКЗ должен быть один, положение его произвольно. А поскольку нагрузка в тяговой сети уравновешена, то суммарный ток эквивалентного заземлителя окажется равным нулю.
Разумеется, такая методика приемлема, если учитывается целиком вся рельсовая сеть или, по крайней мере, в пределах питания одной тяговой подстанции. В противном случае необходимо подобрать приемлемое положение анодных заземлителей эквивалентных катодных станций. Целесообразнее всего ввести несколько таких анодных заземлителей по числу отсекаемых ветвей рельсовой линии. Анодные заземлители в этом случае следует расположить вблизи точек рассечения во внешней подобласти.
После того, как будет найдено распределение потенциал в рельсовой линии Uр, приступают к расчету трубопроводной сети. Значения Uр вводят как исходные данные, после чего программа готовит вектор з и решает задачу с трубопроводной сетью.
10.3.6. Дренажные цепи
Если рельсовая линия задана эквивалентным трубопроводом с токовыми нагрузками, то дренаж воспроизводят перемычкой с заданным сопротивлением между реальным и эквивалентным трубопроводами. Варьируя сопротивлением перемычки, находят оптимальный режим защиты. Расчет ведут в режиме М=2 программ АРМ-ЭХЗ-8П.
При необходимости в перемычку включают внешний источник тока катодную станцию, моделирующую усиленный дренаж. Для этого вводят еще две токовые нагрузки: положительную в точке дренажа на трубопроводе и отрицательную такой же величины в точке дренажа на рельсах. Анодные заземлители этих эквивалентных катодных станций относят в бесконечность.
Если нагрузка рельсовой линии задана потенциалом Uр, то дренажное сопротивление ищется по разности потенциалов рельс-труба. При этом вначале вычисляется оптимальное значение тока защиты (в режиме расчета М=1 «Оптимизационная задача»), а затем рассматривается возможность обеспечения такого тока при фактической разности потенциалов рельс-труба и варьируемом сопротивлении дренажной цепи. Возможно, понадобится усиленный дренаж.
Пример расчета 10.1
На рис.10.6 приведена расчетная схема трубопроводной сети, расположенной в очень опасном сочетании с рельсовой линией. Прежде всего участок трубопровода между точками 1 и 12 длиной 600 м уложен параллельно рельсовому пути, причем на очень малом расстоянии 10 м. Кроме того трубопровод пересекает рельсовую линию в точке 4, находящуюся, как показал последующий расчет, под “минусовым” потенциалом.
Трубопровод везде имеет диаметр 200 мм, толщину стенки 6 мм, удельное электрическое сопротивление изоляции 50 Ом·м, глубину заложения 1 м, стационарный потенциал 0,55В.
Рельсовая линия выполнена из рельсов типа Т-60, что по продольной проводимости соответствует эквивалентному трубопроводу диаметром 200 мм с толщиной стенки 11 мм. Переходное сопротивление рельсовой линии 30 Ом.м, стационарный потенциал 0,55В. Удельное электрическое сопротивление грунта 20 Ом ·м.
Рис.10.6. Совмещенная расчетная схема трубопровода и рельсов электрифицированной железной дороги.
В рельсовой сети нагрузка может подводиться сосредоточенно через каждые 100 м. Общий ток тяговой подстации равен 1400 А.
Рельсовую сеть при расчете сначала заменили обособленным эквивалентным трубопроводом с нагрузками, затем вычислили его потенциал Uр, после чего ввели его в исходные данные для последующего расчета трубопроводной сети и дренажной защиты.
Рассматривались три режима нагрузки тяговой сети:
режим А нагрузка в линии равномерная, т.е. как показано на схеме рис. 10.6, при I = 100A= const;
режим Б допущена перегрузка дальнего участка линии: I10 = I11 = = 300A, I1 = I2 = I3 = I4 = 0;
режим В перегрузка ближнего участка: I1 = I2 = 300 A, I8 = I9 = I10 = = I11= 0.
Разделим результаты анализа на две части:
без дренажной защиты и
с дренажной защитой.
Без дренажной защиты.
На рис. 10.7 приведены эпюры потенциалов рассматриваемой задачи при отсутствии какой-либо электрохимической защиты.
Как и следовало ожидать, анодная зона располагается на ближних к тяговой подстанции участках трубопроводной сети. Наиболее опасная точка непосредственно под рельсовой линией.
Обычно при натурных исследованиях эта точка технически недоступна и поэтому полученные расчетным путем сведения о коррозионной угрозе под рельсами должны быть отнесены к уникальным. Потенциал трубопровода относительно ближайшей к его стенке точки земли здесь равен Uт=+1,176 В (по МЭС), что при наличии повреждения в изоляции вызовет коррозионный ток плотностью
jкор = (1,176 (0,55) ) / Ран .
Рис. 10.7. Эпюры потенциалов труба-земля и рельс-земля (по МЭС) при отсутствии защиты и равномерно распределенной нагрузке рельсовой линии (режим А).
При удельном анодном поляризационном сопротивлении равном Ран = 0,1 Ом·м2 это приведет к чрезвычайно высокой скорости язвенной коррозии, равной
v = 1,18 jкор = 20,2 мм/год.
Уже на расстоянии 5 м от оси железной дороги разность потенциалов труба-земля уменьшается до Uт = +0,065 В, что снижает коррозионную опасность втрое, хотя и это абсолютно недопустимо.
Граница анодной и катодной зон на трубопроводе (этому соответствует Uт = Uст = 0,55 В) находится вблизи точки 8 (на эпюре потенциалов трубопровода анодная зона закрашена более темным тоном).
За пределами точек 15 и 6 анодная зона также переходит в катодную, а вблизи точки 13, напротив, катодная сменяется анодной. Это ни в коей мере не противоречит здравому смыслу мерилу всех теоретических изысканий.
|
NN пп |
Разность потенциалов труба-земля, Uт, В (МЭС) |
NNпп |
Разность потенциалов рельс-земля, Uр, В (МЭС) |
|||||
|
Режим А |
Режим Б |
Режим В |
Режим А |
Режим Б |
Режим В |
|||
|
1 |
-0,127 |
-0,086 |
-0,312 |
1 |
-1,33 |
-2,17 |
-0,57 |
|
|
2 |
0,065 |
0,100 |
-0,251 |
2 |
-5,84 |
-7,50 |
-3,85 |
|
|
3 |
1,176 |
1,169 |
0,039 |
3 |
-3,08 |
-4,22 |
-1,71 |
|
|
4 |
0,078 |
0,115 |
-0,243 |
4 |
-2,13 |
-3,17 |
-0,96 |
|
|
5 |
-0,172 |
-0,113 |
-0,296 |
5 |
-1,39 |
-2,17 |
-0,57 |
|
|
6 |
-0,515 |
-0,379 |
-0,310 |
6 |
-0,65 |
-1,20 |
-0,28 |
|
|
7 |
-0,324 |
-0,359 |
-0,408 |
7 |
-0,07 |
-0,23 |
-0,09 |
|
|
8 |
-0,566 |
-0,634 |
-0,521 |
8 |
0,40 |
0,64 |
0 |
|
|
9 |
-0,767 |
-0,795 |
-0,610 |
9 |
0,78 |
1,41 |
0,02 |
|
|
10 |
-0,927 |
-1,006 |
-0,838 |
10 |
1,07 |
2,10 |
0,03 |
|
|
11 |
-1,046 |
-1,260 |
-1,210 |
11 |
1,28 |
2,74 |
0,03 |
|
|
12 |
-1,124 |
-1,469 |
-1,419 |
12 |
2,28 |
4,70 |
0,21 |
|
|
13 |
-0,440 |
-0,272 |
-0,211 |
|||||
|
14 |
-0,234 |
-0,167 |
-0,308 |
|||||
|
15 |
-0,482 |
-0,336 |
-0,285 |
В табл.10.1 приведены более полные сведения о распределении потенциала трубопровода, причем в различных режимах работы тяговой сети Для сравнительного анализа в табл.10.2 даны потенциалы рельсовой линии в этих режимах (нумерацию узлов в рельсах см. на рис.10.6).
Несмотря на, казалось бы, существенные изменения величины Uт при изменении интенсивности токовых нагрузок и особенно на фоне заметных изменений потенциала Up граница анодной и катодной зон практически не сместилась и проходит вблизи т.8, где Uст 0,55 В. Поэтому можно полагать, что в расчетах поля блуждающих токов вполне достаточно задать средние значений потенциалов рельсовой сети.
Т а б л и ц а 10.3
|
NN уз-лов |
Режимы нагрузки |
NN уз-лов |
Режимы нагрузки |
||||
|
А |
Б |
В |
А |
Б |
В |
||
|
1 |
-1,132 |
-1,087 |
-1,393 |
9 |
-1,802 |
-1,826 |
-1,723 |
|
2 |
-1,168 |
-1,128 |
-1,577 |
10 |
-1,893 |
-1,969 |
-1,877 |
|
3 |
-0,85 |
-0,85 |
-2,141 |
11 |
-1,943 |
-2,154 |
-2,175 |
|
4 |
-1,190 |
-1,149 |
-1,607 |
12 |
-1,967 |
-2,308 |
-2,326 |
|
5 |
-1,125 |
-1,184 |
-1,453 |
13 |
-1,034 |
-0,864 |
-0,85 |
|
6 |
-1,398 |
-1,258 |
-1,259 |
14 |
-1,249 |
-1,179 |
-1,401 |
|
7 |
-1,490 |
-1,520 |
-1,662 |
15 |
-1,491 |
-1,341 |
-1,375 |
|
8 |
-1,669 |
-1,732 |
-1,707 |
Iд, А |
49,6 |
49,4 |
53,4 |
Здесь же интересно оценить диапазон изменения потенциала рельсов и трубопровода во времени в какой либо выбранной точке. Поскольку режимы Б и В далеко не предельные, то можно ожидать еще больших амплитудных изменений потенциала.
При дренажной защите.
В табл. 10.3 приведены результаты расчета распределения потенциала трубопровода при включении дренажа между точкой 1 на трубопроводе и точкой 4 на рельсах. Расчет выполнялся в оптимизационном режиме M=1 при взятом из табл. 10.2 потенциале рельсов.
Как следует из результатов расчета, минимальный защитный потенциал установился в точке с максимальным значением коррозионного потенциала на трубопроводе (точка 3).
Дренажный ток (см. последнюю строку табл.10.3) практически не меняется с изменением режима работы рельсовой сети в рассмотренном диапазоне. Но следует напомнить, что во всех трех режимах ток тяговой подстанции оставался неизменным и равным 1400 А. Очевидно, дренажный ток будет меняться пропорционально изменению тока подстанции.
PAGE 188