Анодная зона; 2 – катодная зона; 3 – знакопеременная зона.

Справа от точки q потенциалы рельсов по отношению к земле оказываются положительными, слева – отрицательными. Следовательно, справа от точки q токи утечки стекают с рельсов, а слева - возвращаются на рельсы. Весь ток, стекающий с рельсов в землю в правой части схемы, должен возвратиться на рельсы в её левой части.

Значение тока утечки с рельсов в землю зависит от потенциала рельсов относительно земли, сопротивления рельсов, переходного сопротивления рельс – земля и метеорологических условий. Утечка происходит с подошвы рельсов, через костыли, шурупы и подкладки, противоугоны, междурельсовые и междупутные соединения и заземляющие устройства.

Если переходное сопротивление r_п по всей длине рельсовой цепи одинаково, то площадь  положительных  потенциалов  рельсов  (справа от точки q)  должна  равняться площади отрицательных потенциалов (слева от точки q). Это равенство определяет полный возврат блуждающего тока в обратный фидер.

4

Распределение тяговых токов в земле и потенциалов различных сооружений относительно грунта зависит от наличия и расположения на участке металлических подземных сооружений (ПС) (кабели, трубопроводы и т.д.), взаимного расположения рельсовых   путей  и   ПС,   неодинаковой  проводимости  грунта   и   многих  других

факторов. Поэтому определение необходимых данных производится соответствующими измерениями (измерение разности потенциалов между рельсами и землёй производят через каждые 200 – 300 м).

При электрической тяге на постоянном токе тяговые токи, перетекая с рельсов в землю, могут распространяться на значительные расстояния (до 50 км и более) и составлять значительную часть тягового тока (до 50 – 60 %). Эти токи получили название блуждающих токов.

Блуждающий ток – это та часть тягового тока, которая стекает с рельсов в землю, протекает по ней и по расположенным в ней подземным сооружениям и возвращается на рельсы в зоне отрицательных потенциалов рельсов по отношению к земле.

На линиях постоянного тока при прохождении поездов между рельсами и землёй создаётся разность потенциалов. Зоны потенциалов подразделяются на:

1 – анодную, где рельс имеет положительный потенциал (тяговые токи стекают с металлических сооружений в землю);

2 – катодную, где рельс по отношению к земле имеет отрицательный потенциал (тяговые токи перетекают из земли в металлическое сооружение);

3 – знакопеременную, где потенциал рельса может меняться.

В анодных зонах происходит электролитическое разрушение металла сооружения (электрокоррозия), в катодных зонах электрокоррозия не наблюдается (за исключением свинца и алюминия при окружающей щелочной среде).

Опасность в отношении электрокоррозии представляет постоянный ток. (теоретическая потеря металла в течение года при протекании тока 1 А составляет около 9 кг стали и 34 кг свинца). Коррозионное воздействие переменного тока частотой 50 Гц в 100 раз меньше, чем постоянного, и увеличивается с уменьшением частоты и увеличением плотности тока стекания.

На ПС расположение катодных и анодных зон примерно противоположно их расположению на рельсах. Таким образом, вблизи пункта присоединения кабелей к рельсам наблюдается катодная зона на рельсах, а на подземных сооружениях – анодная. При этом на ПС анодная зона оказывается относительно стабильной, а катодная зона - перемещающейся.

При рекуперативном торможении на спусках, когда электроэнергия от двигателей поступает в контактную сеть, в зависимости от тока рекуперации катодная зона может быть и в середине фидерной зоны.

5

Пример распределения потенциалов и токов в рельсах

при схеме с одной подстанцией и одной нагрузкой 1000 А

6

Параметры тяговой сети при электрической тяге

На постоянном токе.

1. Сопротивление 1 км тяговой сети r или сопротивление участка тяговой сети длиной l равное r · l.

r = r_к + r_р, Ом/км.

3. Параметры рельсовой цепи:

– волновое сопротивление рельсовой линии    m =  , Ом;

– коэффициент затухания рельсовой линии      k = ,      1/км.

4. Распределение потенциалов по рельсам для нагрузки :

φ_х = · I · m · е^{– к х} .

5. Распределение токов по рельсам:

I_рх = – · I · е^{– к х} ;          I_рх = + · I · е^{– к х} .

Пассивные и активные средства защиты

от электрокоррозии подземных сооружений и конструкции контактных сетей на участках постоянного тока.

Цель защиты металлических сооружений – это продление срока их службы, предотвращение повреждения и потери металла при коррозии.

Защитные мероприятия направлены на ограничение утечки тяговых токов с рельсов, уменьшение блуждающих токов в сооружениях и устройствах в зоне их действия. Интенсивность коррозии пропорциональна плотности тока утечки из сооружения. Процесс электрокоррозии блуждающими токами протекает во взаимодействии с процессами почвенной коррозии.

Уменьшить утечку токов с рельсов можно обеспечением высокой проводимости рельсовых цепей и изоляции их от земли, повышением напряжения в контактной сети, уменьшением расстояния между подстанциями, применением более тяжёлых рельсов и сваркой их в длинные плети, частой установкой отсасывающих пунктов, применением щебёночного балласта и шпал с высоким переходным сопротивлением.

Для уменьшения блуждающих токов на ПС их необходимо прокладывать по возможности дальше от электрифицированных путей, выбирать трассы с высоким электрическим сопротивлением грунтов, применять изолирующие покрытия (битумные) и изолирующие канализации (лотки, керамические и асбоцементные трубы), разделять их изолирующими вставками и муфтами.

Защитные мероприятия на ПС делятся на пассивные и активные.

7

Пассивной системой защитных мер называют меры, предотвращающие воздействие и проникновение блуждающих токов на подземные сооружения.

К пассивной системе относят:

- изоляция подземных сооружений (ПС) от окружающей среды;

- ограничение натекания блуждающих токов на ПС;

- ограничение увлажнения ПС;

- выбор рациональных трасс прокладки ПС;

- повышение уровня изоляции ходовых рельсов от земли.

Активной системой защитных мер называют меры, снижающие токи в земле от источника их возникновения – электрических железных дорог постоянного тока.

К активным методам защиты ПС относятся:

1. электродренажные устройства;

2. катодные защиты;

3. протекторы;

4. путевые источники тока.

1. Электродренажные устройства применяют в устойчивых анодных зонах подземных сооружений (слева от точки q), где происходит выход блуждающих токов с подземных сооружений в землю и затем на рельсы. Дренаж заключается в прямом, металлическом соединении подземных сооружений в этой зоне с помощью проводника с рельсами у обратного фидера или с отрицательной шиной подстанции (рис. а). Этот проводник шунтирует параллельный путь тока с подземных сооружений к обратному фидеру через переходное сопротивление ПС – земля, землю, переходное сопротивление земля – рельсы, в результате токи с ПС возвращаются в обратный фидер не через землю, а по дренажу. Возврат блуждающего тока по дренажу исключает электрохимическую коррозию ПС в бывшей анодной зоне.

Схемы дренажных защит

Равенство положительных и отрицательных площадей на диаграммах рельсовых цепей нарушается – площадь отрицательных потенциалов снижается и точка q смещается к точке 0₁ – узлу присоединения обратного фидера. Часть тока утечки возвращается по земле, а остальная часть по ПС и дренажу. Штриховая линия (рис. в) получена из распределения потенциалов рельсовой цепи за вычетом потерь напряжений в переходном сопротивлении рельсы – земля, земля и в переходном сопротивлении земля – ПС.

В схеме дренажных защит (рис. б) в рассечку проводника включается вентиль, позволяющий проводить ток только в одном направлении от ПС к рельсам, т.е. позволяющий дренажу работать только в случаях, когда он находится в анодной зоне.

8