Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей

Подождите немного. Документ загружается.

241

го вентиля дренаж полностью открывается лишь при напряжении, пре-

вышающем 0,7 В. Электродренаж включает в себя блок регулировочного

сопротивления из 4-х секций, имеет габариты 820х410х31 мм, массу 30

кг.

Электродренаж ПГД выпускается в трех модификациях: ПГД-60М,

ПГД-100М и ПГД-200М на 60,100 и 200 А соответственно. Регулировоч-

ное сопротивление выполнено из 10 секций по 0,05 Ом каждая. Габариты

дренажного шкафа - 665х365х285 мм.

10.2.3.Усиленный электродренаж

Условие применения усиленного электродренажа (см.рис.10.2,в)

> U

, (10.3)

т.е. при преобладании положительного знака U

в знакопеременной зоне,

когда поляризованный дренаж уже не эффективен.

Усиленный дренаж - это не традиционный дренаж, как устройство

для отвода блуждающего тока. Это фактически катодная станция, у ко-

торой рельсы являются анодным заземлителем, а источником питания -

электрическая сеть напряжением 220 В. Усиленный дренаж - это вы-

прямитель сетевого переменного тока (см. рис.10.2,Д3).

Сетевой ток - после преобразования и выпрямления - поступает от

“плюса” дренажа в рельсы, затем из них - в землю, после чего - на тру-

бопровод и, далее, - к “минусу” своего источника. Защищает трубопро-

вод сетевой ток совместно с дренажным током, если он в этот момент

протекает в данной дренажной цепи.

На схеме Д3 рис.10.2 показано направление выпрямленного тока в

один из полупериодов работы сети. В другой полупериод, очевидно, бу-

дет то же самое, но в работу включится другая пара диодов.

Рельсы - “жертва защиты”, поскольку они, как и положено аноду,

разрушаются. Владельцы рельсового хозяйства обычно не возражают, во-

первых, потому, что рельсы и без того разрушаются, так как 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 электрифициро-

ванной железной дороги (не трамвая) руководствуются рядом ограниче-

ний. Так, не допускают появление устойчивого положительного потен-

242

циала в рельсах в точках отсоса, не допускают подсоединение дренажей

непосредственно к рельсам. Дренажи подключаются к средним точкам

путевых дросселей (между двумя катушками, соединяющими рельсы од-

ной колеи и предназначенными для обслуживания цепей сигнализации и

управления (СЦБ)).

Современные усиленные электродренажи имеют цепи автоматиче-

ского управления для поддержания заданного защитного потенциала в

точке дренажа. Иногда устанавливают дополнительный анодный зазем-

литель и автоматически переключаются на него в тот момент, когда на

рельсах возникает слишком высокий положительный потенциал.

10.3. Расчет дренажной защиты

10.3.1. Общие требования к расчетной схеме

Расчет распределения блуждающих и защитных токов в системе

рельсовая сеть-земля-трубопроводная сеть выполняют по программам

АРМ ЭХЗ-7П. Для оценочных расчетов имеются эмпирические формулы.

Задача расчета распределения блуждающего тока и токов электро-

дренажной защиты есть сетевая задача в наиболее полной форме и пред-

ставляется системой

(BA − E)j = J − B(ϕ

+ ϕ

cт )

(10.4)

U = R

из

j + U

cт

Расчет начинают с подготовки расчетной схемы нагруженной рель-

совой сети, с приемлемой точностью задающей потенциальное поле то-

ков в земле ϕ

Как показывают расчеты - и это не противоречит натурным данным,-

на формирование потенциала трубопровода могут оказать влияние участ-

ки рельсовой сети, отстоящие от рассматриваемой точки на многие кило-

метры. Но если исследуемый трубопровод имеет протяженность всего

лишь 1 км, то возникают сомнения: стоит ли учитывать далекую много-

километровую рельсовую линию, если в результате сравнения точного и

243

приближенного расчетов выявится потеря точности, например, на уровне

0,05 В ?

К тому же проектировщик, занимающийся данной территорией и

располагая материалами электрических измерений на существующих

трубопроводных сетях, может оценить интенсивность поля блуждающих

токов, например, по амплитуде колебаний разности потенциалов труба-

земля в точке врезки проектируемого участка. Даже исходя из этих дан-

ных уже можно прогнозировать будущее состояние исследуемого трубо-

провода.

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 боль-

шинстве реальных ситуаций не превышает расстояния между сосед-

ними 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 зна-

чительным.

10.3.2. Шаг дискретизации рельсовой линии

Сразу же следует подчеркнуть, что задача выбора шага дискретиза-

ции (

) для рельсовой сети решается с использованием тех же правил,

что и для трубопроводной сети (см.главу 7). И поэтому можно без како-

го-либо обоснования согласиться с тем, что минимальное значение шага

дискретизации для рельсовой сети, как и магистрального трубопровода,

равно

p.min

= 200 м.

Максимальное значение шага (

p.max

) определяется прежде всего

характером изменения потенциала вдоль рельсовой линии. Так, если рас-

244

стояние между соседними тяговыми подстанциями 25...35 км, что соот-

ветствует сетям магистральных железных дорог, то и средний шаг дис-

кретизации на этом участке может быть взят равным

p.max

= 2...4 км ,

т.е. может быть принята расчетная схема с N

≥ 10 узлами дискретизации.

При выборе значения

p.max

можно исходить, например, из следую-

щего: достаточно ли плавная кривая будет начерчена в том случае, когда

вы строите эпюру разности потенциалов рельс-земля по N

точкам? Если

да, то, вероятно, N

и есть минимальное число узлов дискретизации.

Более сложная ситуация складывается, очевидно, при анализе го-

родских условий, когда расстояние между подстанциями порой

уменьшается до 1...2 км, к тому же рельсовая сеть разветвлена, а гради-

ент потенциалов вдоль рельсовой линии достигает 10 В /км. Но и здесь

подходит тот же критерий оценки:

минимум точек, необходимых для построения гладкой кривой, есть

минимум узлов дискретизации.

Разумеется, имеется в виду, что "гладкую" кривую следует строить

по средним, но не мгновенным значениям потенциала. Порой наблюдае-

мая в действительности амплитуда изменений потенциала во времени не

укладывается в рамки здравого смысла (например, ± 20 В !). Но это не

должно особенно беспокоить проектировщика по ЭХЗ, поскольку корро-

зию определяют далеко не мгновенные значения токов и потенциалов.

Таким образом, учитывая возможность применения резко неравно-

мерного шага, максимальный шаг дискретизации рельсовой сети желез-

ных дорог может быть принят равным

p.max

= 4000 м.

Для городского трамвая можно принять

p.max

= (0,1...0,2) L

, где L

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, за-

нимающегося вопросами ЭХЗ, распределение потенциала в рельсах в ко-

нечном счете не интересует (разумеется за исключением случаев, когда

245

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 проводника с утечкой, каковым явля-

ется рельсовая линия, каждый отрезок дискретизации - это линейный

источник с неизменной плотностью тока. Такое допущение и вызывает

погрешность.

Потенциал дискретного проводника ϕ

(L) меняется скачком на гра-

нице двух соседних отрезков дискретизации. Этого же можно ожидать и

с потенциалом земли ϕ

(L) в непосредственной близости от проводника в

районе стыка двух отрезков дискретизации. Но если рассматривать точки

земли не очень близкие к проводнику, то при перемещении вдоль той же

продольной оси L кривая потенциала земли ϕ

(L) будет скорее немоно-

тонной, но уже не ломаной.

На кривой ϕ

(L) можно будет отметить две точки перегиба: а) на гра-

нице между отрезками дискретизации и б) против их центров. По мере

продвижения вдоль линии L скорость изменения потенциала земли в од-

ной 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, соответствующе-

го идеальному проводнику с утечкой, т.е. проводнику с равномерно рас-

пределенными параметрами. В точках пересечения кривых погрешность

моделирования равна нулю. Очевидно, что эти точки находятся в непо-

средственной близости от точек перегиба, т.е. против центра и на стыке.

Таким образом, при определении взаимного положения узлов дис-

кретизации рельсов и трубопровода следует иметь ввиду, что

наименьшая погрешность - в точках против центров отрезков дискре-

тизации и на границах между ними.

Естественно, по мере удаления исследуемой трассы ( трубопровода)

от дискретного источника токов (рельсов) кривая изменения потенциала

земли будет все более сглаживаться и, как показывают оценки, при рас-

стоянии между ними ( L

т-p

) более одного шага дискретизации

прак-

тически эти колебания уже незаметны, т.е.

при L

т-p

погрешностью дискретизации можно пренебречь.

246

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 рельсо-

вой сети по умолчанию принимают, что каждый последующий узел дис-

кретизации связан только с предыдущим. Это упрощение оправдано ло-

гикой программиста и нисколько не мешает пользователю, даже если

рельсовая сеть разветвлена или в рассматриваемой области две-три не-

связанных друг с другом рельсовые сети, например, электрифицирован-

ная железная дорога и трамвай. Ниже рассмотрены эти ситуации.

И еще очень важное предварительное замечание, обусловленное осо-

бенностью пакета программ АРМ-ЭХЗ-7П. Для каждого узла дискретиза-

ции рельсовой сети задается его потенциал U

(не забыть, между про-

чим, что он должен быть измерен и задан относительно МЭС). В силу

принятых допущений

потенциал в узле равен среднему потенциалу на отрезке дискре-

тизации 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 пере-

сечении с рельсовой линией), находиться не узел 8 и не узел 9, а центр

отрезка дискретизации { 8,9 }. К тому же это не расходится с рекомен-

дациями 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

247

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 разветв-

ленной рельсовой сети.

При создании программ АРМ-ЭХЗ-7П принято, что расчетная схе-

ма рельсовой сети - это неразветвленная цепь аналогичная цепи для ма-

гистрального трубопровода. Для того чтобы моделировать также и раз-

ветвленные рельсовые линии, поступают следующим образом.

Нумеруют узлы дискретизации расчетной схемы по какой-либо од-

ной, основной рельсовой линии. Затем в узле ответвления вводят очеред-

ной номер и продолжают нумерацию далее вдоль ответвления. Узел от-

ветвления 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 (крестообраз-

ное 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-7П

этот потенциал должен быть равен −0,55 В). Так, если потенциал узла 9

принять равным нулю (пример см.выше), то автоматически окажется рав-

248

ным 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 моделирова-

ния смешанных рельсовых сетей. Пусть, например, учитываются одно-

временно рельсовые сети трамвая и электрифицированной железной до-

роги. Последовательность работы следующая.

А) Выполняют обычную нумерацию узлов одной из рельсовых ли-

ний в соответствии с методикой, изложенной выше. Пусть это будет, на-

пример, 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 дискретиза-

ции [P, P+1], т.е. принимают потенциал узла P равным U

ст.р

10.3.5. Рельсовая линия как эквивалентный трубопровод

В предыдущих случаях в узлах дискретизации рельсов задавался по-

тенциал U

, который полагался измеренным и известным. Но может воз-

никнуть необходимость расчета U

по заданным токовым (тяговым) на-

грузкам.

Пусть задано распределение токовых нагрузок в рельсовой сети,

размещение тяговых подстанций и их токи. Требуется найти распределе-

ние потенциала рельсовой линии ( U

), как первый этап решения сетевой

задачи для трубопроводной сети.

В этом случае рельсовую сеть заменяют эквивалентным трубопро-

водом и нагружают его эквивалентными катодными станциями, воспро-

249

изводящими тяговые нагрузки. При этом токи эквивалентных СКЗ, моде-

лирующих рельсовую нагрузку, должны иметь знак "минус", а для тяго-

вых подстанций - знак "плюс".

Анодный заземлитель у всех эквивалентных СКЗ должен быть один,

положение его - произвольно. А поскольку нагрузка в тяговой сети урав-

новешена, то суммарный ток эквивалентного заземлителя окажется рав-

ным нулю.

Разумеется, такая методика приемлема, если учитывается целиком

вся рельсовая сеть или, по крайней мере, в пределах питания одной тяго-

вой подстанции. В противном случае необходимо подобрать приемлемое

положение анодных заземлителей эквивалентных катодных станций. Це-

лесообразнее всего ввести несколько таких анодных заземлителей - по

числу отсекаемых ветвей рельсовой линии. Анодные заземлители в этом

случае следует расположить вблизи точек рассечения во внешней подоб-

ласти.

Расчет ведут при варьировании положения и величины токовых на-

грузок. После того, как будет найдено распределение потенциал в рель-

совой линии U

, приступают к расчету трубопроводной сети. Значения U

вводят как исходные данные, после чего программа готовит вектор ϕ

решает задачу (10.4) с трубопроводной сетью.

10.3.6. Дренажные цепи

Если рельсовая линия задана эквивалентным трубопроводом с токо-

выми нагрузками, то дренаж воспроизводят перемычкой с заданным со-

противлением между реальным и эквивалентным трубопроводами. Варь-

ируя сопротивлением перемычки, находят оптимальный режим защиты.

Расчет ведут в режиме М=2 программ АРМ-ЭХЗ-7П.

При необходимости в перемычку включают катодную станцию, мо-

делирующую усиленный дренаж. Для этого вводят еще две токовые на-

грузки: положительную - в точке дренажа на трубопроводе и отрицатель-

ную такой же величины в точке дренажа на рельсах. Анодные заземлите-

ли этих эквивалентных катодных станций относят в бесконечность.

250

Если нагрузка рельсовой линии задана потенциалом U

, то дренаж-

ный ток ищется по разности потенциалов рельс-труба. При использова-

нии режима расчета М=1 “Оптимизационная задача” вычисляется опти-

мальное значение тока защиты и дается рекомендация проектировщику

об использовании того или иного типа дренажей, а также приводится со-

противление дренажного кабеля.

При использовании известных эмпирических формул для расчета

дренажной защиты исходят прежде всего из того, что величина дренаж-

ного тока составляет 20% от токов нагрузки тяговой подстанции. Влия-

ние прочих факторов учитывают, вводя некие поправочные коэффициен-

ты, назначенные, вероятно, судом экспертов.

Пример расчета 1

На рис.10.3 приведена расчетная схема трубопроводной сети, распо-

ложенной в очень опасном сочетании с рельсовой линией. Прежде всего

участок трубопровода между точками 1 и 12 длиной 600 м уложен парал-

лельно рельсовому пути, причем на очень малом расстоянии - 10 м. Кро-

ме того трубопровод пересекает рельсовую линию в точке 4, находящую-

ся, как показал последующий расчет, под “минусовым” потенциалом.

Рис.10.3. Совмещенная расчетная схема трубопровода и рельсов

электрифицированной железной дороги.