Блуждающие токи и способы борьбы с ними

Что представляют собой блуждающие токи

Люди используют электроэнергию для различных целей:

• Для создания комфорта (обогрев, применение кондиционеров).
• Чтобы работать с информацией (компьютер, смартфон, телевизор).
• Использование бытовой техники (посудомойка, стиральная машина, пылесос).
• Выполнение хозяйственных работ (электродвигатели).

Повсеместное использование электричества порождает дополнительные проблемы для человека. Одной из них является появление блуждающих токов. Каждый раз, когда электричество попадает в почву, оно создаёт возможность для их возникновения и разрушительного воздействия.

Обычно в грунте присутствует влага с растворёнными в ней веществами. Она является хорошим проводником. Как только на участке земли образуется в силу тех или иных причин разность потенциалов, то через землю начинает течь ток. Его силу и направление предугадать трудно, так как он носит случайный характер.

Как известно из курса физики, ток протекает там, где сопротивление минимально. Поскольку в земле находится большое количество металлических труб различного назначения, то ток часто протекает через их различные участки. Это способно привести к существенному разрушению трубопроводных магистралей. Например, за год может неожиданно образоваться дыра размером с ладонь даже в крепкой и качественной трубе.

Блуждающие токи так называются потому, что они протекают по случайным участкам грунта. Сложно заранее предвидеть, где именно пройдёт их путь. Схема прохождения выглядит следующим образом.

Существуют разного рода источники электрической энергии, непосредственно контактирующие с грунтом. Если в непосредственной близости имеется трубопровод, то ток сначала пройдёт через почву, затем через трубу и после этого в определённой точке выйдет из неё. Далее по почве он пройдёт к предмету с меньшим потенциалом, установленному на земле.

Нужно учитывать, что ток проходит от более высокого к меньшему потенциалу. В описанной схеме начало и окончание пути — это места, где произошла протечка электроэнергии.

Особое внимание нужно обратить на участки, где блуждающие токи входят в трубу и выходят из неё. Первый называют анодным, второй — катодным. В этих местах к процессу коррозии добавляется электролитическое воздействие тока.

При этом нужно помнить, что анодный участок является более опасным для трубы по сравнению с катодным. Дело в том, что на нём из-за блуждающего тока произойдёт перенос молекул металла в окружающий грунт. В результате оболочка быстро станет более тонкой, а затем образуется отверстие.

Предвидеть, в каком конкретно месте образуется анодный участок, практически невозможно. Это существенно зависит от химического состава и влажности почвы. На практике для борьбы с этим явлением применяются различные методы пассивного или активного характера. Вред, который приносят блуждающие токи, состоит также в том, что они представляют собой утечки электроэнергии, которые иногда могут достигать значительных размеров.

О каких утечках электроэнергии идёт речь

В сетях электропитания используются фазный и нулевой провод. Последний многими рассматривается как заземление, но на самом деле он устроен более сложно. Этот провод соединён не с грунтом, а с питающей подстанцией. На ней он в конечном счёте подключается к заземлению. К нему подсоединены нулевые провода всех потребителей подстанции.

Такое заземление имеет ненулевой потенциал и непосредственно соединено с грунтом. Оно может стать одним из источников блуждающих токов.

Другой широко распространённый вариант — это электротранспорт. При его движении вверху расположен фазный провод. Разность потенциалов создаётся между ним и рельсами, непосредственно контактирующими с землёй. Этот грунт является ещё одним источником электроэнергии для блуждающих токов.

Если потенциал нулевого проводника одинаковый на всём протяжении пути, то разность потенциалов не возникнет. Когда это не так, возникает блуждающий ток. На рельсах образуются анодные и катодные участки. В первых из них активно разрушаются рельсы вследствие электролитических реакций. Если не контролировать такие ситуации, они могут приводить к катастрофам.

В земле проходят кабели электропитания. Они имеют мощную изоляцию. Однако с течением времени она может начать разрушаться. В результате через оголённые участки энергия станет уходить в почву. Иногда в таких кабелях имеется очень высокое напряжение, которое может достигать нескольких тысяч вольт.

Причины и источники возникновения

Как мы помним из школьного курса физики, для образования электрического тока необходимо, чтобы возникла разность потенциалов между двумя участками цепи. Принцип возникновения блуждающих токов – аналогичный. Только роль проводника в данном случае исполняет земля.

На территории современных городов и населенных пунктов находится множество электрифицированных объектов, начиная от ЛЭП и заканчивая рельсовым транспортом, включая оборудование тяговых подстанций. Их объединяет один фактор – расположение на земле. Это приводит к довольно специфичному взаимодействию с последней, проявляющемуся в виде появления блуждающих токов. Ниже представлена таблица, которой приводятся их потенциальные источники и условия образования электросвязи связи с почвой.

Таблица 1. Потенциальные источники.

Причина появления тока в домашнем быту

Существует ещё один вид блуждающего тока, который правда не связан с процессами, происходящими в земле. Речь идёт о появлении аналогичных повреждений на стальных полотенцесушителях, радиаторов отопления, установленных в обычных зданиях. Основной причиной становится разница потенциалов на этих устройствах и заземлённых участках водопровода или системы отопления.

Раньше все эти сети монтировались из металлических труб и обязательно заземлялись. Поэтому в пределах одного здания разницы потенциалов на отдельных участках или элементах системы не существовало или она была настолько минимальной, что не приносила никакого вреда.

Сейчас ситуация кардинально изменилась, и причиной этого стало массовое применение полипропиленовых и металлопластиковых труб. Полимерные материалы обладают высоким удельным сопротивлением, поэтому их можно считать хорошими диэлектриками. В результате получают изолированные друг от друга участки сети. При этом вода остаётся хорошим проводником, она отлично переносит скапливающийся статический заряд.

Поэтому и происходит появление эффекта блуждающих токов, вызванного разницей потенциалов на заземлённом участке сети и отдельных полотенцесушителях или батареях. В этом случае электрохимическая коррозия быстро разрушает тонкостенные металлические устройства.

Описание явления

Блуждающими токами называются те, которые появляются в земле, когда ее используют как токопроводящую среду. Создают коррозию металла, который целиком или частично находится под поверхностью земли, а иногда только соприкасается с земельными наделами. Наблюдаются на трамвайном и железнодорожном пути, электрифицированной дороге. Иногда становятся причиной короткого замыкания и аварийной ситуацией.

Разрушительное явление

Отличаются от обычных стационарных электротоков тем, что они появляются внезапно и в самом непредсказуемом участке. От того, какое они имеют направление, зависит происходящий процесс на объекте, через который начинает протекать электроток. Если объект обладает положительным потенциалом относительно иного объекта, при контакте с ним появляется электроток с коррозией и окислением проводов. Если объект обладает отрицательным потенциалом, то на нем восстанавливаются параметры того вещества, которое находится в жидкости состава среды, где течет электроток.

Обратите внимание! Поскольку химактивность элементов, которые контактируют с жидкой средой или электролитом, не понятна, то сложно предугадать время с местом появления блуждающего типа электротока. В настоящее время его наличие приводит к коррозии объекта с положительным потенциалом.

Полное определение

Как измерить блуждающие токи?

Для оценки опасности от токов утечки производится комплекс измерительных работ, куда входит:

• Измерение уровня тока и направление его движения по оболочкам кабелей магистральной линии.
• Измерение разности потенциалов между контактных рельсов (рельсовой сетью) и проложенными в земле металлическими конструкциями.
• Измерение изоляции рельсов от грунта на контрольных участках рельсового полотна.
• Оценка плотности тока утечки с оболочки кабельных линий в грунт.

Измерения величины блуждающих токов производятся специальными приборами. При этом выбирается время, на которое приходится максимальный трафик рельсового электротранспорта.

Набор инструментов для измерения блуждающих токов

Процесс измерения блуждающих токов выполняется в трансформаторных и тяговых подстанциях расположенных рядом с рельсовыми путями. При этом один из электродов, подключенных к измерительному прибору, соединяют с ЗУ, а второй, втыкается в землю в 10-и метрах от тяговой подстанции. Если между потенциалами на электродах появляется разность, она фиксируется прибором.

Связь блуждающего тока и коррозии на металле

Ввиду наличия в земле воды и растворенных в ней солей любая металлическая конструкция в почве подвержена коррозии. Но если металл помимо этого подвергается воздействию блуждающих токов, то процесс приобретает электролитическую природу. Согласно закону Фарадея скорость электрохимической реакции напрямую зависит от тока, протекающего между анодом и катодом. Следовательно, на скорость коррозии металлической трубы (уложенной в грунте) будет влиять электрическое сопротивление почвы, а также сложная природа процессов, протекающих в катодной и анодной зоне.

В результате металлическая конструкция помимо обычной коррозии подвергается воздействию токов утечки. Это может стать причиной образования гальванической пары, что существенно ускорит процесс коррозии. На практике отмечались случаи, когда участок трубопровода системы водоснабжения, подвергавшийся гальванической коррозии выходил из строя через два года, при расчетном сроке эксплуатации 20 лет. Пример такого воздействия представлен ниже.

Труба после воздействия блуждающих токов

Возникновение таких проблем связано с отсутствием заземления в некоторых случаях. Если используются металлопластиковые трубы, то они изолируют металлическую часть системы от контакта с почвой. При этом статическое электричество не уходит, а оказывает разрушительное воздействие. Для защиты от блуждающих токов необходимо принимать соответствующие меры.

Иногда такие трубы появляются у соседей вследствие проведённого ими ремонта. В некоторых случаях в подъезде с самого начала установлены металлопластиковые стояки. В таком случае образование блуждающих токов — это вопрос времени. В таких ситуациях важно обеспечить заземление всех труб, используемых в квартире или частном доме. При этом соединяют все имеющиеся металлические элементы таких систем: батареи, полотенцесушители, краны, смесители и другие. Блуждающие токи — это может стать серьёзной проблемой, если с ними не бороться.

Из-за чего начинает развиваться коррозия

После того, как мы рассмотрели суть электрохимической коррозии, пришло время обратить внимание на причины распространения коррозии.

Среди них три распространенные:

• Сплав имеет неоднородную структуру. В большинстве сплавов поверхность негомогенная, потому что в кристаллической решетке присутствуют посторонние включения. Ухудшает ситуацию и присутствие пор макро и микротипа. Это приводит к тому, что продукты коррозии также начинают образовываться неравномерно.
• Неоднородная среда, в которой находится металл. Чтобы коррозия протекла быстрее, важен фактор доступа окислителя. Электрохимическая реакция может быть ускорена.
• Отличие физических условий. Коррозия усиливается в том случае, если происходит облучение, в среде присутствуют блуждающие тока. Негативно влияет и температура, особенно при перепадах. В таком случае разница между холодными и теплыми местами становится причиной появления анода.

Именно по причине различия в критических факторах, скорость электрохимической коррозии может сильно меняться.

Какие объекты подвергаются максимальной опасности

Полностью контролировать образование блуждающих токов невозможно. Для защиты от их воздействия необходимо в первую очередь обращать внимание на наиболее уязвимые для них объекты:

• Кабельные линии, имеющие металлическую оболочку.
• Трубопроводы, стенки которых сделаны из металла. Если трубы сделаны из других материалов, то блуждающие токи на них действовать не будут. Причём речь идёт о различных типах таких конструкций: водопроводных, канализационных, газовых.
• Металлические детали арматуры в зданиях и других конструкциях.
• Пути электротранспорта. Он может быть городским или железнодорожным электрифицированным.
• Подземный электротранспорт может использоваться, например, при строительстве метро.
• Разного рода цельнометаллические конструкции. Одним из примеров может быть бак, предназначенный для хранения нефтепродуктов.

Фактически рассматриваемая опасность может угрожать любым металлическим элементам, непосредственно контактирующим с землёй. Понимание того, что же такое «блуждающие токи», поможет понять, как избежать их появления.

Поляризация и ее влияние на скорость протекания коррозии

Процесс поляризации связан с интенсивностью распространения электрохимической коррозии.

Этот показатель отражает, насколько сильное перенапряжение наблюдается на определенном участке.

Принято выделять три вида поляризации:

• Электрохимическая. Чаще всего наблюдается в ситуации, когда катодный и анодный процессы начинают замедляться.
• Фазовая. Возникает в том случае, если на поверхности материала формируется новая фаза.
• Концентрационная. Этот процесс появляется в том случае, если есть очень малые показатели скорости отвода продуктов коррозии, а также подхода деполяризатора.

Особенности поляризации также стоит учитывать в том случае, если вы заинтересованы в дополнительной защите металлов от постепенного разрушения.

Защита от блуждающих токов

На самом деле, полноценной защиты от этой проблемы нет. Ее просто не может быть с точки зрения физики. Единственный действенный метод — подсунуть всепожирающим блуждающим токам иную жертву, которую не так жалко. Мало того, у этого приспособления и название соответствующее: «жертвенный анод». А методика именуется катодной защитой.

Принцип работы в исключении анодных зон на защищаемом объекте. Вместо них используются те самые жертвенные аноды, которые меняют по мере их электрохимического разрушения. А вокруг объекта формируются лишь безопасные для него катодные зоны.

Для того, чтобы система функционировала, требуется дополнительная энергия. В критических местах устанавливаются так называемые станции катодной защиты, которые запитаны от линий электропередач.

Это связано с некоторыми затратами, которые несравнимы с потерями на ремонт и восстановление испорченных объектов (трубопровода, кабеля и прочего).

А если защищаемый объект относится к опасной категории (например, нефтехранилище, в котором в результате электрохимической коррозии может произойти утечка продукта), то стоимость защитных устройств вообще не берется во внимание.

Обеспечиваем эффективную защиту от коррозии

Наша компания предлагает заказчикам защиту металлоконструкций разных типов от коррозии.

Мы используем методику горячего цинкования.

В пользу работы с нами говорит сразу несколько факторов:

• Опыт работы с 2007 года, есть постоянные заказчики.
• Большие производственные площади. Три цеха для горячего цинкования, мощность 120 тысяч тонн в год.
• Универсальность. Работаем со множеством видов изделий благодаря установленной на предприятии самой глубокой ванны в ЦФО – 3,43 метра.

Мы используем в процессе проверенное европейское оборудование. Даем гарантию соответствия качества товаров требованиям ГОСТ 9.307-89.

Недостатки систем катодной защиты

Методика отнюдь не универсальна, необходимо строить каждый объект под конкретные условия эксплуатации. При неправильных расчетах силы защитного тока, происходит так называемая «перезащита», и уже катодная станция является источником блуждающих токов. Поэтому, даже после монтажа и введения в строй, катодные системы постоянно контролируются. Для этого в разных точках монтируются специальные колодцы для замера силы тока защиты.

Контроль может быть ручным или автоматическим. В последнем случае устанавливается система слежения за параметрами, соединенная с аппаратурой управления катодной станцией.

Дополнительные способы защиты от блуждающих токов

• Применение кабельных магистралей с внешней оболочкой, которая является хорошим диэлектриком. Например, из сшитого полиэтилена.
• При проектировании систем энергоснабжения, использовать только системы заземления типа TN-S. В случае капитального ремонта сетей, заменять устаревшую систему TN-C.
• При расчете маршрутов железнодорожных путей и подземных коммуникаций, по возможности разносить эти объекты.
• Использовать под рельсами изолирующие насыпи, из материалов с минимальной электропроводностью.

Способы устранения

Единственный способ предотвращения появления блуждающих токов — убрать возможность утечки из проводников, в качестве которых выступают те же рельсы, в землю. Для этого и устраивают насыпи из щебня, устанавливают деревянные шпалы, которые нужны не только для получения прочного основания под рельсовый путь, но и повышают сопротивление между ним и грунтом.

Дополнительно практикуется монтаж прокладок из диэлектрических материалов. Но все эти способы больше подходят для ЖД магистралей, трамвайные пути изолировать таким способом сложно, так как это приводит к увеличению уровня рельсов, что в городских условиях нежелательно.

Также читайте:  Почему гудит трансформатор

В случае с распределительными пунктами и подстанциями, ЛЭП, ситуацию можно исправить применением более совершённых систем автоматического отключения. Но возможности такого оборудования ограничены, да и постоянное отключение электроснабжения, особенно в промышленных условиях, нежелательно.

Поэтому в большинстве случаев прибегают к защите трубопроводов, бронированных кабелей и металлических конструкций, расположенных в зоне действия блуждающих токов.

Активная и пассивная защита

Существует два основных способа защиты:

1. Пассивная — предупреждает контакт металла за счёт применения покрытий из диэлектрических материалов. Именно для этой цели применяют обмазку битумными мастиками, обмотку диэлектрическими изолентами, комбинацию этих способов. Но такие трубы стоят дороже, а проблема полностью не решается, потому что при глубоких повреждениях подобных покрытий защита практически не работает.
   Пассивная защита
2. Активная — основана на отводе блуждающих токов от защищаемых магистралей. Может быть выполнена несколькими способами. Считается наиболее эффективным решением.
   Активная защита

В различных условиях применяют отличающиеся способы защиты от электрохимической коррозии. Рассмотрим несколько основных примеров.

Защита полотенцесушителей

Главное отличие — находятся на открытом воздухе, поэтому изоляция не поможет, а отвести блуждающие токи некуда. Поэтому единственно допустимый вариант — выравнивание потенциалов.

Для решения этой проблемы применяют простое заземление. То есть восстанавливают те условия, которые были до разрыва цепи при помощи полимерных труб. При этом требуется заземление каждого полотенцесушителя или радиатора отопления.

Защита водопроводных труб

В этом случае больше подходит протекторная защита с применением дополнительного анода. Такой способ применяется и для предотвращения образования накипи в электрических водонагревательных баках.

Анод, чаще всего магниевый, соединяется с металлической поверхностью трубы, образуя гальваническую пару. При этом блуждающие токи выходят не через сталь, а через такой жертвенный анод, постепенно разрушая его. Металлическая труба при этом остаётся целой. Следует понимать, что время от времени требуется замена защитного анода.

Защита в газопроводе

Для защиты этих объектов применяют два способа:

• Катодная защита, при которой трубе придают отрицательный потенциал за счёт применения дополнительного источника питания.
• Электродренажная защита предполагает соединение газопровода с источником проблем проводником. При этом предотвращается образование гальванической пары с окружающим магистраль грунтом.

Отметим, что ощутимый ущерб, наносимый металлическим конструкциям, требует применения комплексных мер. Они включают защиту и предотвращение появления опасных факторов.