Оценка коррозионной опасности алюминиевых кабелей в полимерном изолирующем покрове в условиях работы электрифицированного железнодорожного транспорта Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

2. Вериго, М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава [Текст] / М. Ф. Вериго, А. Я. Коган - М.: Транспорт, 1986. - 559 с.

3. Шилер, В. В. Определение отступлений рельсовых нитей в плане координатным методом [Текст] / В. В. Шилер // Взаимодействие подвижного состава и пути и динамика локомотивов дорог Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера / Труды / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1983. - С. 70 - 74.

4. Балух, X. Диагностика верхнего строения пути. - М.: Транспорт, 1981. - 414 с.

УДК 624.332:621.316.97

В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, Н. К. Слептерева

ОЦЕНКА КОРРОЗИОННОЙ ОПАСНОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ КАБЕЛЕЙ

В ПОЛИМЕРНОМ ИЗОЛИРУЮЩЕМ ПОКРОВЕ В УСЛОВИЯХ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Определено влияние электротяги постоянного и переменного тока на коррозионное состояние алюминиевых кабелей в полимерном изолирующем покрове.

В настоящее время кабели с медными жилами заменяются на волоконно-оптические. На сети железных дорог к 2006 г. была построена волоконно-оптическая магистраль общей длиной более 50 тыс. км, соединяющая 71 регион России. Тем не менее продолжается производство и эксплуатация кабелей связи с металлическими жилами. Поэтому остаются актуальными вопросы защиты от коррозии подземных металлических сооружений связи и исследования коррозионных процессов. Это объясняется постоянно изменяющейся коррозионной ситуацией, вызванной появлением новых источников блуждающих токов и подземных металлических коммуникаций, а также тем, что в эксплуатации находятся кабели, отработавшие свой амортизационный срок, при этом сохранившие в хорошем состоянии параметры передачи [1].

Как известно, особенно высокой коррозионной опасности подвержены протяженные подземные сооружения в зонах блуждающих токов [2, 3]. Все кабели связи в стальных гофрированных и большая часть марок кабелей в алюминиевых оболочках имеют полимерные покровы (полиэтиленовые или поливинилхлоридные), защищающие металлические элементы кабеля от коррозии блуждающими токами, а также от почвенной коррозии благодаря сохранению высокого переходного сопротивления оболочки по отношению к земле. Для кабелей, прокладываемых в грунте, в качестве защитного покрова целесообразнее использовать полиэтилен, учитывая его большую влагостойкость и стойкость к действию кислот и щелочей. Однако при возможных повреждениях изолирующего покрова как в процессах укладки, монтажа, так и во время эксплуатации металлическая оболочка подвергается коррозионной опасности. На скорость процессов коррозии влияет как размер повреждения изолирующего покрова, так и агрессивность грунта, обусловленная его минералогическим составом, а также наличием источников блуждающих токов. Уменьшить коррозионный процесс можно применением электрохимических методов защиты при поддержании потенциала для алюминия от минус 0,85 до минус 1,38 В [4]. Поддерживать заданное значение защитного потенциала, особенно в условиях действия блуждающих токов, практически невозможно. В качестве примера на рисунке 1 приведен график изменения потенциала оболочки кабеля относительно земли.

Рисунок 1 - Изменение потенциала оболочки кабеля относительно земли

Характер изменения потенциала оболочки кабеля соответствует непрерывному стационарному случайному процессу ) при г е [0,Т] с нормальным законом распределения [5]. Для такого процесса количество переходов уровня А (-0,85 В) за интервал времени Т определяется выражением [6]:

1 (А-шл2

Т

Н(А, Т) = — ^в^ , (1)

2п

1 да

где Я0 - функция корреляции, - Я =-- [ю2Б(ю)<Лю > 0 ;

— да

т - математическое ожидание;

<7 - среднеквадратическое отклонение.

Анализируя формулу (1), можно отметить следующее. При увеличении значения ст среднее количество выбросов возрастает. Кроме того, количество выбросов зависит от заданного уровня: чем выше уровень, тем меньше среднее количество выбросов. На графике отмечены два допустимых уровня - верхний (-0,85) и нижний (-1,38), поэтому число переходов потенциалов за пределы диапазона между заданными уровнями зависит и от его ширины.

Изменение потенциала оболочки кабеля относительно земли, как случайный процесс, имеет нормальный закон распределения, поэтому время пребывания функции в защитном потенциальном диапазоне

¿3 = г (В)- * (А), (2)

где г(В) - время выбросов ниже уровня В, В = -1,38 В; г(А) - время выбросов надуровнем А, А = -0,85 В.

Длительности выбросов и нахождения случайного процесса ) в пределах защитного потенциального диапазона зависят от вероятности пребывания случайной функции в этом диапазоне. Следовательно, длительность выбросов над уровнем А

'Т' <х

г(Л)= (3)

где Ж- плотность вероятности распределения случайной величины.

Применительно к нормальному процессу [4] длительность выбросов над уровнем А

= 1

г (Л) = 1 - Ф

г А - тл

Л - т

V ^ )

(4)

где Ф - функция Лапласа с аргументом

V ^ у

Аналогично определяется длительность выбросов ниже уровня В. Таким образом, время пребывания функции в защитном диапазоне

¿з = Ф

ГВ-т\ (А-тл Ф

\ ° )

\ ° )

(5)

Графики зависимости времени пребывания потенциала оболочки кабеля в защитном диапазоне относительно земли в зависимости от т и ст приведены на рисунке 2.

А 0,6

0,4

0,2

Г 1

/ \ ст = 0, 1

о = 0, / 5 \

д

а / = 2

1,5

0,5

0,5

В

1,5

т

Рисунок 2 - Время нахождения потенциала на оболочке кабеля в защитном диапазоне в зависимости от т и а

Время пребывания потенциала «оболочка кабеля - земля» в защитном диапазоне от минус 1,38 до минус 0,85 В близко к полному времени Т = 1 при и при т, находящемся в защитном диапазоне.

Рассмотрим распределение потенциалов оболочки относительно земли по длине кабеля типа МКСАБпШп 7^4^1,2 длиной 9,75 км для вариантов параллельного сближения шириной 25 м с электрифицированной железной дорогами постоянного и переменного тока. В силу разного характера их влияния на подземное сооружение эти варианты рассмотрены отдельно. Поскольку необходимым условием для поддержания защитного потенциала оболочки кабеля от коррозионной опасности является наличие заземления по концам и на протяжении всего участка [7], в расчетных схемах сопротивление заземления у тяговой подстанции принято равным 3 Ом, а промежуточные через 0,75 км друг от друга - по 10 Ом. Расчеты проведены при проводимости земли 0,02 См/м.

Оценим опасность коррозии кабеля при параллельном сближении с электрифицированной железной дорогой постоянного тока. Имеющиеся в составе выпрямленного рабочего напряжения контактной сети гармоники имеют малые значения, поэтому индуктивным влиянием в этом случае можно пренебречь, и опасность коррозии определяют только гальваническим влиянием.

Схема замещения участка кабельной линии, подверженной гальваническому влиянию приведена на рисунке 3, левый конец кабеля находится вблизи тяговой подстанции, а правый -вблизи нагрузки (электровоза).

1

г

0

1

0

Рисунок 3 - Схема замещения участка кабельной линии, подверженной гальваническому влиянию

На рисунке 3 Я0 = 0,34 Ом/км - продольное сопротивление постоянному току оболочки кабеля на 1 км; Еп+1 Е1, Е2,..., Еп - ЭДС, численно равные потенциалам заземлений, которые определены по методике [8]; 11 = ¡2 =... = ¡п = 0,75 км - длина участков.

Для определения тока, протекающего через заземлители, составлена система уравнений на основании метода контурных токов:

/1 (+ ^011 + ЯЬ + ^ + Ч + - + ЯА + ^п+1 )= Е1 - Е 12 (Я + Я ¡2 + ... + + ... + Я,^ + Яп+1 ) = Е2 - Еп+1;

п+1'

/ (Я + Ы+... + ЯА + Я+1 ) = Е - Е

(6)

п+1'

Л (Я + Я ¡п + Яп+1 ) = Еп - Еп+1. Ток, стекающий через заземлитель Яп+1,

/п+1 = /1 + 12 + /3 + - + /п.

(7)

Потенциал на оболочке кабеля относительно земли определяется как произведение рассчитанного по системе уравнений тока, протекающего через заземлители, на соответствующее сопротивление заземления.

Результаты расчета токов, протекающих через заземлители, и потенциалов оболочки кабеля при удалении Ь от тяговой подстанции показаны на рисунке 4.

I

36

А

24

18

12

I II I

и

125

В

75

50

25

О 1,5 3 4,5 б 7.5 КМ 10.5

О 1,5 3 4,5 6 7,5 КМ 10,5

ь

Рисунок 4 - Токи, протекающие через заземлители при гальваническом влиянии электротяги постоянного тока, (а) и распределение потенциалов по оболочке кабеля при электротяге постоянного тока (б)

= 1

Ь

Полученные расчеты распределения потенциалов по оболочке кабеля при параллельном сближении кабельной линии с электрифицированной железной дорогой постоянного тока показывают, что рассчитанные значения потенциалов значительно превышают защитный потенциальный диапазон.

Рассмотрим коррозионную опасность для кабеля связи при параллельном сближении с электрифицированной железной дорогой переменного тока. При гальваническом влиянии методика расчета аналогична варианту электротяги постоянного тока с заменой на схеме замещения и в системе уравнений сопротивлений Я0 полным продольным сопротивлением металлических покровов кабеля на 1 км 2 [9]. Для учета индуктивного влияния, которое в этом случае весьма существенно, схема замещения оболочки кабеля приведена на рисунке 5.

Я

Я

Рисунок 5 - Схема замещения участка кабельной линии, подверженной индуктивному влиянию

На схеме замещения (см. рисунок 5) 2 = 0,39 + /'3,83 Ом/км, Е1 = Е2 =... = Еп = 25 В -

продольная ЭДС, рассчитанная по методике [10], ток нагрузки принят равным 300 А.

Система уравнений для расчета тока, протекающего через заземлители при индуктивном влиянии, имеет вид:

Я + Я+1 + 2 Ё ¡,

Яп+1 + 2 ^

+ /

+ Л

1=2 У

Яп+1 + 2 Е ¡,

1=2

Я + Яп+1 + 2 ^

+...+/,

\ 1=1 У V 1=2 У V 1=к У

^ п \ { п \ { п Л

+ ••• + Л

1=2 У

Яп+1 + 2Ё¡11 + - + К (Яп+1 + 2^) = ХЁ;

1=к У 1=1

Яп+1 + 2 & 1 + ... + К (Яп+1 + Яп ) = ¿Е,;

1=к

1=2

(8)

Яп+1 + 2 £ ¡А +Ё [Я+1 + 2 £ ¡<

1=к У

+ ... + Л

1=к У

Як + Яп+1 + 2£¡1 I + • • • + К (Яп+1 + Яя) = £е,;

1=к У

1=к

/ (Я + 2¡ ) + Д (Я + И ) + ... +Д (Я + 2¡ ) + ... + / (Я + Я + И ) = Е

1 V п+1 п / 2 \ п+1 п / к \ п+1 п / п \ п п+1 п / п

Ток, стекающий через заземлитель Яп+1,

/п+1 = /1 + /2 + Д + - + Д.

(9)

Полученные значения токов Д и /м, протекающих через заземлители, представлены на рисунке 6.

Потенциал оболочки кабеля относительно удаленной земли вследствие неопределенности и случайного характера фазовых соотношений гальванической и индуктивной составляющих определяется по квадратичному закону:

имг=Цчи7. (10)

Распределение потенциалов по оболочке кабеля при гальваническом и индуктивном

влиянии Пт и им и значения результирующих потенциалов имг в зависимости от удаленности тяговой подстанции Ь приведены на рисунке 7.

5,-

А3

1.5

4,5

7,5 КМ 10,5

Ь

1,5

4,5

7,5

КМ

10,5

Ь

Рисунок 6 - Токи, протекающие через заземлители при гальваническом (а) и индуктивном (б) влиянии электротяги переменного тока

Таким образом, при электротяге переменного и постоянного тока на оболочке кабеля создаются потенциалы, значения которых намного превышают границы защитного диапазона (-1,38^-0,85 В), безопасного в отношении коррозии, что вызывает коррозионную опасность оболочки кабеля. Из полученных результатов следует, что с помощью заземляющих устройств, установленных по длине кабельной линии, рекомендованных [7], защитить кабель от коррозии невозможно. Поэтому в условиях работы электрифицированного железнодорожного транспорта как постоянного, так и переменного тока существует необходимость в разработке дополнительных мер по защите алюминиевой оболочки кабеля от коррозии. Одним из способов исключения коррозионного разрушения алюминиевой оболочки кабеля является необходимость поддержания переходного сопротивления оболочки в соответствии с требуемыми нормами.

50

п

30

20

10

•

3 /' • / /

г 2 V' / //1 г

\ /

1,5

4,5

7,5 КМ 10,5

Ь

Рисунок 7 - Распределение потенциалов по оболочке кабеля при электротяге переменного тока при гальваническом (1) и при индуктированном (2) влиянии; результирующая кривая распределения потенциалов (3)

№ 3(1 2012

Список литературы

1. Поздеев, В. В. Повышение степени защиты крупных железнодорожных узлов [Текст] /

B. В. Поздеев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. -№ 2 (2). - С. 92 - 97.

2. Манусов, В. 3. Исследование методов снижения несимметрии загрузки трехфазной сети на тяговых подстанциях скоростных железных дорог переменного тока [Текст] / В. 3. Манусов, П. В. Морозов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2012. - № 2 (10). - С. 87 - 94.

3. Карабанов, М. А. Снижение влияния системы тягового электроснабжения на электропитание нетяговых потребителей в моменты подключения преобразовательных агрегатов [Текст] / М. А. Карабанов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. -№ 2 (7). - С. 58 - 67.

4. ГОСТ 9.602-2005. Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии.- М.: Стандартинформ, 2006. - 59 с.

5. Волотковский, С. А. Защита подземных сооружений от электрокоррозии [Текст] /

C. А. Волотковский, Е. В. Василевский, Э. М. Гутман. - Киев: Наукова думка, 1964. - 132 с.

6. Тихонов, В. И. Выбросы случайных процессов [Текст] / В. И. Тихонов - М.: Наука, 1970. - 392 с.

7. Руководство по проектированию и защите от коррозии подземных металлических со -оружений связи [Текст]. - М.: Связь, 1978. - 216 с.

8. Правила защиты устройств проводной связи от влияния тяговой сети электрических железных дорог постоянного тока. МПС СССР [Текст]. - М.: Транспорт, 1969. - Ч. 1. - 44 с.

9. Ерита, А. М. Параметры изолированного цилиндрического проводника в однородной среде [Текст] / А. М. Ерита, В. А. Кандаев, К. В. Авдеева // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 3 (3). - С. 50 - 59.

10. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока [Текст] - М.: Транспорт, 1989. - 134 с.

УДК 621.316.97

В. А. Кандаев, В. А. Мухин, А. О. Сырецкая

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Приведены аналитические зависимости для определения перенапряжения на границе раздела «металл -электролит», экспериментальная проверка выполненного расчета поляризации реального заземляющего устройства.

При расчете распределения электрических величин на подземном сооружении необходимо учитывать поляризацию металлических элементов сооружения под действием блуждающих токов [1]. Поляризация, или отклонение потенциала сооружения от стационарного значения, вызвана изменением структуры границы раздела «металл - грунт» и протеканием на границе раздела электрохимических и химических реакций. Поляризация может быть описана поляризационной характеристикой, которая представляет собой зависимость смещения потенциала металлического сооружения от плотности стекающего тока. В данной работе рассмотрен способ расчета поляризационной характеристики подземного металлического неизолированного сооружения.