Что такое блуждающие токи и как от них избавиться?
Последние 10-20 лет во многих мегаполисах наблюдается резкое снижение срока службы подземных металлических сооружений (трубопроводов горячего и холодного водоснабжения, системы отопления и т.д.). После проведения ряда экспертиз было установлено, что основная причина разрушения металла — электрохимическая коррозия, которую вызывают блуждающие токи. Из данной статьи Вы узнаете о природе этого явления, а также получите представление о способах защиты подземных сооружений и инженерных коммуникаций от гальванической коррозии.
Что такое блуждающий ток?
Как известно, земля является проводником электрического тока, что позволяет применять это свойство для создания заземляющих устройств. Но в тоже время, когда почва выступает в качестве токопроводящей среды, в ней образуются утечки. Поскольку нельзя спрогнозировать в какое время начнется процесс, и где он будет протекать, то такие проявления получили термин «блуждающие».
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.
| Название объекта | Взаимосвязь с землей |
| Различные виды распределительных устройств, оборудование подстанций, ВЛ с нулевым проводником (глухозаземленная нейтраль), подключенным к повторным заземлителям. | При наличии на объекте ЗУ. |
| ВЛ сетей с изолированной нейтралью, кабельные магистрали. | Возникает при повреждении изоляционного покрытия токонесущих элементов кабелей. |
| Рельсовый электротранспорт, системы с заземленной нейтралью. | Наличие технологической связи между одним из проводников и землей. |
Механизм образования блуждающих токов
В таблице мы привели в качестве примера несколько источников, теперь рассмотрим подробно, как в них образуется интересующий нас процесс. Как уже упоминалось выше, чтобы он появился, между двумя точками на земле должно произойти возникновение разности потенциалов. Такие условия создаются контурами ЗУ систем с глухоизолированной нейтралью.
Нулевой провод (PEN) одним концом соединен с ЗУ электроподстанции, а вторым подключен к шине PEN потребителя, которая соединена с заземляющим устройством объекта. Соответственно, разница электрических потенциалов между выводами нулевого проводника будет передаваться ЗУ, что создаст условия для образования цепи. Величина утечки будет незначительной, поскольку основная нагрузка пойдет по пути наименьшего сопротивления (нулевому проводнику), но, тем не менее, часть ее пойдет по земле.
Образование блуждающих токов между ЗУ нулевого провода
Практически аналогичные условия образуются, когда возникают проблемы с изоляцией проводов (разрушение оболочек) кабельных магистралей или ВЛ. При возникновении КЗ на землю, в этой точке потенциал равный или близкий к фазе. Это вызывает образование тока утечки к ближайшему ЗУ с потенциалом PEN-провода.
В приведенном примере о постоянной утечке переменных токов речь не идет, поскольку согласно действующим нормам на поиск и устранение повреждения отводится два часа. При этом, в большинстве случаев, отключение поврежденной линии или локализация участка с КЗ производится автоматически. Процесс может существенно затянуться, если сила тока КЗ ниже аварийного порога.
Как показывает практика, наибольшая доля источников токов постоянной утечки приходится на городской и пригородный рельсовый электротранспорт. Механизм их образования продемонстрирован ниже.
Рельсовый электротранспорт в качестве источника блуждающих токов
Обозначения:
Как видно из рисунка, постоянное напряжение в тяговую сеть поступает с подстанции и по рельсам возвращается обратно. При недостаточном сопротивлении рельсовых путей относительно земли, в грунте возникают электрические блуждающие токи. Если на пути распространения утечки блуждающих токов находится трубопровод или другая металлическая конструкция, то она становится проводником электричества.
Это связано с тем, что ток распространяется по пути наименьшего сопротивления. Соответственно, как только появляется проводник, ток будет распространяться по металлу, поскольку его электрическое сопротивление меньше, чем у земли. В результате участок трубопровода, через который проходит электроток, будет в большей степени подвержен коррозии металла. О причинах этого рассказано ниже.
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
Способы защиты от блуждающих токов
Для предотвращения пагубного воздействия электрохимического потенциала применяются методы защиты, которые могут отличаться в зависимости от особенностей металлических конструкций. Рассмотрим в качестве примера способы защиты водопроводных труб, полотенцесушителей и газопроводов, начнем в порядке данной очередности.
Видео про различные защиты от блуждающих токов
Защита водопроводных труб
Для проложенных в земле металлоконструкций, в частности водопроводных труб, применяются две методики защиты: пассивная и активная. Подробно опишем каждую из них.
Пассивная защита
Данная методика предусматривает нанесение на поверхность металлоконструкций специального изолирующего слоя, образующего защитный барьер между землей и металлической оболочкой. В качестве изоляционного материала используются полимеры, различные виды эпоксидных смол, битумное покрытие и т.д.
Пример защитного покрытия трубы для подземной укладки
К сожалению, современная технология не позволяет создать защитный барьер, обеспечивающий полную изоляцию. Любое покрытие обладает определенной диффузионной проницаемостью, поэтому при данном способе возможна только частичная изоляция от грунта. Помимо этого следует учитывать, что в процессе транспортировки и монтажа может быть нанесено повреждение защитному слою. В результате на нем образуются различные дефекты изоляции в виде микротрещин, царапин, вмятин и сквозных повреждений.
Поскольку рассмотренный метод не обладает достаточной эффективностью, он применяется в качестве дополнения активной защиты, о которой пойдет речь далее.
Активная защита
Под данным термином подразумевается управление механизмами электрохимических процессов, которые протекают в местах контакта металлических конструкций с образующимся в грунте электролитом. Для этой цели применяется катодная поляризация, при которой отрицательный потенциал смещает естественный.
Реализовать такую защиту можно гальваническим методом или используя источник постоянного тока. В первом случае применяется эффект гальванической пары, в которой анод, подвергается разрушению (жертвенный анод), защищая при этом металлоконструкцию, у которой потенциал несколько ниже (см. 1 на рис.5). Описанный способ эффективен для грунтов с низким сопротивлением (не более 50,0 Ом*м), при более низком уровне проводимости данный метод не применяется.
Применение источника постоянного тока в катодной защите позволяет не зависеть от сопротивления грунта. Как правило, источник изготовлен на базе преобразователя, запитанного от электрической цепи переменного тока. Конструктивное исполнение источника позволяет задать уровень защитных токов в соответствии со сложившимися условиями.
Рисунок 5. Варианты реализации катодной защиты
Обозначения:
Защита полотенцесушителей
Полотенцесушителям и другим оконечным металлическим устройствам на водопроводных трубах (смесителям) коррозия, вызванная блуждающими токами, не угрожала до тех пор, пока в быту не стали широко применяться пластиковые трубы. Даже, если в Вашем стояке установлены металлические трубы, не факт, что у соседа снизу они не пластиковые, да и для отводов в ванную и кухню наверняка используется пластик.
Чтобы обеспечить защиту от аварийных утечек тока и не допустить электрокоррозии, необходимо выровнять потенциалы, заземлив полотенцесушитель, водопроводные трубы в стояке, а также батарею отопления.
Защита газопроводов
Защита подземных газопроводов от блуждающих токов, которые вызывают коррозию, осуществляется точно так же, как и для водопроводных труб. То есть применяется один из двух вариантов активной катодной защиты, принцип работы которой рассматривался выше.
Как измерить блуждающие токи?
Для оценки опасности от токов утечки производится комплекс измерительных работ, куда входит:
Измерения величины блуждающих токов производятся специальными приборами. При этом выбирается время, на которое приходится максимальный трафик рельсового электротранспорта.
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.
Рекомендуем также почитать:
Вихревые токи
Детали из металла у автомобиля или разнообразных электрических устройствах, имеют способность двигаться в магнитном поле и пересекаться с силовыми линиями. Благодаря этому образовывается самоиндукция. Предлагаем рассмотреть аномальные вихревые токи фуко, потоки воздуха, их определение, применение, влияние и как уменьшить потери на вихревые токи в трансформаторе.
Из закона Фарадея следует, что изменение магнитного потока производит индуцированное электрическое поле даже в пустом пространстве.
Если металлическая пластина вставляется в это пространство, индуцированное электрическое поле приводит к появлению электрического тока в металле. Эти индуцированные токи называются вихревые токи.
Фото: Вихревые токи
Токи Фуко – это потоки, индукция которых проводится в проводящих частях разнообразных электрических приборах и машинах, блуждающие токи Фуко особенно опасны для пропуска воды или газов, т.к. их направление невозможно контролировать в принципе.
Если индуцированные встречные токи создаются изменяющимся магнитным полем, то токи вихревые будут перпендикулярны к магнитному полю, и их движение будет производиться по кругу, если данное поле однородно. Эти индуцированные электрические поля очень сильно отличаются от электростатических электрических полей точечных зарядов.
Практическое применение вихревых токов
Вихревые токи полезны в промышленности для рассеивания нежелательной энергии, например у поворотного кронштейна механического баланса, особенно если сила тока очень высокая. Магнит в конце опоры настраивает вихревые токи в металлической пластине, прикрепленной к концу кронштейна, скажем, ansys.
Вихревые потоки, как учит физика, могут быть также использованы в качестве эффективного тормозного усилия в двигателях транзитного поезда. Электромагнитные приспособления и механизмы на поезде около рельсов специально настроены для создания вихревых токов. Благодаря движению тока, получается плавный спуск системы и поезд останавливается.
Закрученные токи вредны в измерительных трансформаторах и для человека. Металлический сердечник используется в трансформаторе, чтобы увеличить поток. К сожалению, вихревые токи, полученные в якоре или сердечнике, могут увеличить потери энергии. Построив металлическую сердцевину чередующихся слоев из проводящих и не проводящих энергию, материалов, размер индуцированных петель уменьшается, таким образом, уменьшая потери энергии. Шум, который производит трансформатор при работе, является следствием именно такого конструктивного решения.
Видео: вихревые токи Фуко
Еще один интересный использования вихревой волны – применение их в электросчетчиках или медицине. В нижней части каждого счетчика расположен тонкий алюминиевый диск, который всегда вращается. Это диск движется в магнитном поле, так что там всегда есть вихревых токи, цель которых замедлить движения диска. Благодаря этому датчик работает точно и без перепадов.
Вихри и скин-эффект
В том случае, когда возникают очень сильные вихревые токи (при высокочастотном токе), в телах плотность тока становится значительно меньше, чем на их поверхностях. Это так называемый скин эффект, его методы используются для создания специальных покрытий для проводов и в трубах, которые разрабатываются специально для вихре-токов и тестируются в экстремальных условиях.
Это доказал еще ученый Эккерт, который исследовали ЭДС и трансформаторные установки.
Схема индукционного нагрева
Принципы вихревых токов
Катушка из медной проволоки является распространенным методом для воспроизведения индукции вихревых токов. Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. Магнитные поля образуют линии вокруг провода и соединяются, образуя более крупные петли. Если ток увеличивается в одной петле, магнитное поле будет расширяться через некоторые или все из петель проволоки, которые находятся в непосредственной близости. Это наводит напряжение в соседних петлях гистерезис, и вызывает поток электронов или вихревые токи, в электропроводящем материале. Любой дефект в материале, включая изменения в толщине стенки, трещин, и прочих разрывов, может изменить поток вихревых токов.
Закон Ома
Закон Ома является одним из самых основных формул для определения электрического потока. Напряжение, деленное на сопротивление, Ом, определяет электрический ток, в амперах. Нужно помнить, что формулы для расчета токов не существует, необходимо пользоваться примерами расчета магнитного поля.
Индуктивность
Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. С увеличением тока, катушка индуцирует циркуляцию (вихревых) потоков в проводящем материале, расположенном рядом с катушкой. Амплитуда и фаза вихревых токов будет меняться в зависимости от загрузки катушки и ее сопротивления. Если поверхность или под поверхностью возникнет разрыв в электропроводном материале, поток вихревых токов будет прерван. Для его налаживания и контроля существуют специальные приборы с разной частотой каналов.
Магнитные поля
На фото показано, как вихревые электрические токи образуют магнитное поле в катушке. Катушки, в свою очередь, образуют вихревые токи в электропроводном материале, а также создавают свои собственные магнитные поля.
Магнитное поле вихревых токов
Дефектоскопия
Изменение напряжения на катушке будет влиять на материал, сканирование и исследование вихревых токов позволяет производить прибор для измерения поверхностных и подповерхностных разрывов. Несколько факторов будут влиять на то, какие недостатки могут быть обнаружены:
Обнаружение контура дефектоскопом
Существуют сотни стандартных и специальных зондов, которые производятся для конкретных типов поверхностей и контуров. Края, канавки, контуры, и толщина металла вносят свой вклад в успех или провал испытаний. Катушка, которая расположена слишком близко к поверхности проводящего материала будет иметь наилучшие шансы на обнаружение разрывов. Для сложных контуров катушка вставляется в специальной блок и прикрепляется к арматуре, что позволяет пройти ток через неё и проконтролировать его состояние. Многие устройства требуют специальных формованных изделий зонда и катушки, чтобы приспособиться к неправильной форме детали. Катушка также может иметь специальную (универсальную) форму, чтобы соответствовать конструкции детали.
Уменьшаем вихревые токи
Для того чтобы уменьшить вихревые токи катушек индуктивности нужно увеличить сопротивление в этих механизмах. В частности рекомендуется использовать лицендрат и изолированные провода.
Блуждающие токи и борьба с ними
Блуждающие токи, называемые также токами Фуко, являются одной из самых серьезных проблем для находящихся в земле металлоконструкций. Ещё совсем недавно, в XIX и начале XX века этого никогда не возникало. Причиной появления стали многочисленные мощнейшие источники постоянного тока, контактирующие с поверхностью земли. Метрополитен, троллейбусы и трамваи, различные электролитические установки, контуры заземления и прочие источники с электрическими полями порождают небольшие разряды, способные путешествовать на большие расстояния. Когда на их пути встречается металл, то происходит простейшая электролитическая коррозия.
Необходимо привести пример, для полного понимания этого явления. В одном из гаражей города, семья решила использовать недавно приобретенную бочку из нержавеющей стали для засолки овощей. Весной ёмкость дала сильную течь, а вскоре дно, которое от 2 мм истончилось до толщины фольги, полностью выпало. Эту работу проделали блуждающие токи. Это явление являются одним из самых каверзных, потому что оно не щадит ни один металл. Алюминий, медь, цинк и прочие элементы быстро разлагаются под действием сильнейшей коррозии.
Методы защиты от токов Фуко
Сделать это очень сложно, но многочисленные компании постоянно разрабатывают средства защиты. Они обладают определенной эффективностью, но также имеют большое количество нюансов, которые необходимо учитывать при использовании:
Какие условия являются наиболее благоприятными
Наличие солей в почве способствует распространению токов с огромной скоростью. Как показывает практика, распространение практически не происходит в песках. Это обусловлено сухостью грунта, где токи сразу же теряются. Поэтому проблема практически не актуальна для стран Ближнего Востока, где конструкции в грунтах почти не страдают. Также токи не могут распространяться в условиях сухого климата. Заболоченные просоленные почвы, которыми изобилуют Карелия и Финляндия — это идеальный вариант.
Где нет блуждающих токов?
Они практически полностью отсутствуют в сельской местности, а также на различных удаленных объектах. Но если будет использован заземленный трансформатор, то тогда повреждений не избежать. Правда они будут значительно меньше, чем в условиях города. Сейчас борьба с этим явлением является одним из приоритетных направлений в своде наук, изучающих коррозию металлов. Особенно подвержены таким явлениям комплексные сплавы. В чистом виде не используется ни один металл, поэтому вопрос остаётся открытым.
Вихревые токи
В электрических аппаратах, приборах и машинах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями меняющегося по величине магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется ЭДС самоиндукции.
Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.
Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по правилу Ленца, противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.
В качестве примера на рис унке показаны вихревые токи, индуктируемые в массивном сердечнике, помещенном в катушку, обтекаемую переменным током. Переменное магнитное поле индуктирует токи, которые замыкаются по путям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных направлению поля.
Способы уменьшения токов Фуко
Мощность, затрачиваемая на нагрев сердечника вихревыми токами, бесполезно снижает КПД технических устройств электромагнитного типа.
Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого сердечники набирают из отдельных тонких (0,1- 0,5 мм) пластин, изолированных друг от друга с помощью специального лака или окалины.
Магнитопроводы всех машин и аппаратов переменного тока и сердечники якорей машин постоянного тока собирают из изолированных друг от друга лаком или поверхностной непроводящей пленкой (фосфатированных) пластин, выштампованных из листовой электротехнической стали. Плоскость пластин должна быть параллельна направлению магнитного потока.
При таком делении сечения сердечника магнитопровода вихревые токи существенно ослабляются, так как уменьшаются магнитные потоки, которыми сцепляются контуры вихревых токов, а следовательно, понижаются и индуктируемые этими потоками э. д. с, создающие вихревые токи.
В материал сердечника также вводят специальные добавки, также увеличивающие его электрическое сопротивление. Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническую сталь приготовляют с присадкой кремния.
Сердечники некоторых катушек (бобин) набирают из кусков отожженной железной проволоки. Полоски железа располагают параллельно линиям магнитного потока. Вихревые же токи, протекающие в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, ограничиваются изолирующими прокладками. Для магнитопроводов приборов и устройств, работающих на высокой частоте, применяют магнетодиэлектрики. Чтобы снизить вихревые токи в проводах, последние изготавливают в виде жгута из отдельных жил, изолированных друг от друга.
Применение токов Фуко
В ряде случаев вихревые токи используются в технике, например для торможения вращающихся массивных деталей. Электродвижущая сила, наводимая в элементах детали при пересечении магнитного поля, вызывает в ее толще замкнутые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, создают значительные противодействующие моменты.
Широко применяется также такое магнитоиндукционное торможение для успокоения движения подвижных частей электроизмерительных приборов, в частности для создания противодействующего момента и торможения подвижной части электрических счетчиков.
В этих приборах диск, укрепленный на оси счетчика, вращается в зазоре постоянного магнита. Наводимые в массе диска при этом движении вихревые токи, взаимодействуя с потоком того же магнита, создают противодействующий и тормозящий моменты.
Например, вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в виде трубочек вокруг вихревого тока. Взаимодействуя с основным полем магнита, эти потоки тормозят диск.
В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовления вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона.
Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.
Примером полезного применения вихревых токов, вызываемых переменным полем, могут служить электрические индукционные печи. В них магнитное поле высокой частоты, создаваемое обмоткой, которая окружает тигель, наводит вихревые токи в металле, находящемся в тигле. Энергия вихревых токов трансформируется в тепло, плавящее металл.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: