Блуждающие токи рельсовых сетей: природа, опасность электрокоррозии и методы защиты

Прохождение тягового тока по рельсам, как и по любому проводнику, сопровождается падением напряжения, что создает разность потенциалов между рельсом и землей. Это приводит к ответвлению части тока в грунт или, наоборот, его притоку из земли к рельсу, поскольку конструктивно рельсовый путь не имеет электрической изоляции от земли. Таким образом, рельсы на разных участках относительно земли могут обладать как положительным, так и отрицательным потенциалом.

При общепринятой в РФ положительной полярности контактной сети постоянного тока (рис. 137, а) потенциал рельсов положителен в зоне нахождения электровоза и отрицателен возле отсасывающих фидеров у тяговой подстанции. На потенциальной диаграмме (рис. 137, б) четко видны зоны с разным характером взаимодействия тока с землей. Участок, где ток переходит с рельсов в землю (2), называют анодной зоной, а участок, где ток из земли поступает в рельсы (1), — катодной зоной. Эти зоны динамически перемещаются вместе с движением электроподвижного состава.

Рис. 137. Расположение анодных и катодных зон при положительной полярности контактной сети: а — схема питания участка, б — потенциальная диаграмма; 1 — катодная зона, 2 — анодная зона, 3 — катодная зона подземного сооружения, 4 — анодная зона подземного сооружения.

Токи, ответвившиеся в землю, именуются блуждающими токами. Они могут распространяться в грунте на значительные расстояния (десятки километров) и протекать по случайным путям, включая подземные металлические сооружения: трубопроводы, кабели, арматуру фундаментов. В местах выхода тока с металла в грунт (анодная зона) происходит интенсивная электрокоррозия (электрохимическое разрушение). Наибольшую опасность этот процесс представляет для сетей постоянного тока.

Разрушительное действие блуждающих токов особенно опасно для подземных частей опор контактной сети. Стекание тока с арматуры железобетонных фундаментов или стоек в грунт приводит к коррозии стали. Образующиеся продукты коррозии, объем которых более чем вдвое превышает объем изначального металла, создают внутренние напряжения, растрескивающие бетон. Это ускоряет разрушение, открывая доступ атмосферной и почвенной коррозии. Для контроля состояния опор проводятся их плановые обследования.

На дорогах переменного тока риск электрокоррозии значительно ниже благодаря периодической смене направления тока (50 или 100 раз в секунду), что в десятки раз уменьшает его разрушительный электрохимический эффект. Однако защитные меры остаются актуальными.

Комплекс мероприятий по защите направлен на два ключевых аспекта: снижение утечки тока с рельсов и минимизация его воздействия на сооружения. Для увеличения переходного сопротивления пути применяют укладку на щебеночный балласт, пропитку шпал, обеспечение зазора не менее 30 мм между подошвой рельса и основанием. Особое внимание уделяют исключению случайных электрических контактов рельсов с подземными коммуникациями.

Важнейшей мерой является устройство изолирующих стыков в местах примыкания неэлектрифицированных путей. На мостах рельсы обязательно изолируют от металлических и железобетонных пролетных строений. При пересечении дорогой трубопроводов или кабелей эти сооружения дополнительно защищают специальными изолирующими покрытиями.

Параллельно с этим снижают сопротивление самой рельсовой сети (см. § 59), что уменьшает общее падение напряжения и величину блуждающих токов. К электротехническим способам защиты относят системы катодной защиты, дренажи блуждающих токов и применение протекторов, которые позволяют управлять распределением потенциалов и отводить опасные токи от защищаемых конструкций.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: А. Н. Шемякин А. С. Прудыус.

Источник: Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети и высоковольтных линий электропередачи.

Данные публикации будут полезны инженерам-проектировщикам и строителям контактной сети железных дорог, специалистам служб эксплуатации и ремонта инфраструктуры, а также студентам транспортных и строительных вузов, изучающим конструкции и основы надежности железнодорожных сооружений.