Kierunek Elektrotechnika sem. VI LABORATORIUM TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ Ćwiczenie nr 3 Prądy błądzące pochodzące od trakcji elektrycznej prądu stałego.
1. Wprowadzenie W zelektryfikowanym transporcie szynowym wykorzystującym trakcję elektryczną szyny jezdne stanowią jeden z dwóch przewodów obwodu elektrycznego układu zasilania: powrotnego (przyłączonego do szyny minusowej podstacji trakcyjnej) lub zasilającego (przyłączonego do szyny plusowej podstacji). Rozwiązaniem typowym w warunkach polskich jest wykorzystanie szyn jezdnych w roli przewodu powrotnego. Obwód powrotny układu zasilania obejmuje oprócz szyn jezdnych połączenia poprzeczne międzytokowe (międzysznowe) i międzytorowe, obwody uszynień (połączeń między szynami i metalowymi konstrukcjami), kable powrotne (od szyn do podstacji) i szynę minusową podstacji trakcyjnej oraz ewentualnie dławiki torowe (w przypadku stosowania obwodów torowych zabezpieczenia ruchu). Z zasady w transporcie miejskim szyny jezdne nie są wykorzystywane jako tor sygnałowy dla urządzeń zabezpieczenia i sterowania ruchem. Dlatego też wymagania dotyczące minimalnej wartości rezystancji przejścia szyn do ziemi jednego toru lub torów linii wielotorowej nie muszą spełniać wymagań stawianych sieciom powrotnym linii kolejowych ze względu na prawidłowość działania tych obwodów. Różne są także warunki środowiskowe, w których pracują sieci szynowe trakcji kolejowej i miejskiej. Nasycenie obszarów miejskich urządzeniami podziemnymi (kable, rurociągi, fundamenty itp.) wymusza dla miejskiej trakcji elektrycznej znacznie ostrzejsze wymagania odnośnie prądów błądzących niż dla trakcji kolejowej. Warunkiem koniecznym zapewniającym bezpieczeństwo pasażerów jest skuteczne i szybkie wyłączenie każdego zwarcia w jak najkrótszym czasie, tak aby napięcia rażeniowe występowały jak najkrócej. Warunkiem podstawowym prawidłowej eksploatacji szynowych sieci powrotnych jest: - utrzymanie ciągłości elektrycznej szyn i połączeń prądowych, - utrzymanie ciągłości elektrycznej obwodów uszynień, - utrzymanie właściwości izolacyjnych toru w stosunku do ziemi. Na rysunkach 1 a e zamieszczony jest uproszczony schemat szynowego obwodu powrotnego (a), schemat zastępczy układu szyny-ziemia (b), poglądowe wykresy przebiegów prądu szyn I R, prądu płynącego w ziemi I B (c,d) oraz potencjału szyn U R w stosunku do ziemi, a także poprzeczny rozkład potencjałów dla skończonej wartości rezystancji wzdłużnej i poprzecznej (e). 2
a) + sieć je zdn a I I łącznik uziemienia szyny + + + szyny I s I U ziemia I U + + + podziemne konstrukcje metalowe b) L r S r S r S szyny r S r S r S r S - Z r S - Z r RSZ r S-Z r RSZ r RSZ ziemia c) x I(x) R dx szyny U(x) R di(x) R I(x) S odległa ziemia di(x) R du(x) R I(x) R U(x) R dx x d) I I S I Z x e) U + Usz x Rys. 1: Uproszczony schemat obwodu szynowego przy zasilaniu pojedynczego odbioru jednostronnie z podstacji trakcyjnej (a), schemat zastępczy (b), przebiegi prądu szyn I S (c) i w ziemi I Z (d) oraz napięć w szynach Us i potencjału szyn w stosunku do ziemi Usz (e). 3
Podstawowe zależności w obwodzie z rysunku 3 przy założeniu stałej wartości prądu roboczego I oraz jednorodnej rezystywności gruntu i stałych rezystancji w obwodzie modelującym układ szyny-ziemi ('drabinkowym') opisują zależności: gdzie: mi U ( x) = sh( kx) R l ch( k ) 2 I I ( x) = ch( kx) R l ch( k ) 2 (1) (2) m = r R r R G (3) k = r r R R G Przy projektowaniu nowych systemów zelektryfikowanego szynowego transportu miejskiego należy dążyć do minimalizacji upływu prądów błądzących poprzez odpowiednie zaprojektowanie konstrukcji torowiska i konfiguracji sieci powrotnej, z uwzględnieniem wymogów bezpieczeństwa. Przedsiębiorstwa eksploatujące trakcję tramwajową i metro powinny mieć na uwadze infrastrukturę techniczną otaczającą linie transportu miejskiego, Istniejące konstrukcje wrażliwe na prądy błądzące powinny być kontrolowane przed i po wprowadzeniu do eksploatacji systemu transportowego, aby określić stopień zakłócającego oddziaływania trakcji elektrycznej i wrażliwość tych konstrukcji na zagrożenia korozyjne od prądów błądzących, Zastosowanie odpowiednich środków przeciwdziałających zagrożeniom korozją elektrolityczną daje efekty nie zawsze wymierne, ale odczuwalne, szczególnie w dłuższym czasie; doświadczenia wykazują, że w miastach z trakcją tramwajową uszkodzenia infrastruktury podziemnej są znacznie częstsze niż w miastach bez trakcji tramwajowej, Należy tu podkreślić, że zastosowanie odpowiednich rozwiązań technicznych i prawidłowe zaprojektowanie układu zasilania z uwzględnieniem otwartości modernizacyjnej systemu daje określone korzyści finansowe i ekonomiczne w okresie jego eksploatacji, który dla (4) 4
układów komunikacyjnych wynosi co najmniej 20 30 lat. Konieczne jest także przeanalizowanie dla każdego projektu nowej inwestycji lub modernizacji możliwych do wystąpienia zagrożeń (jak napięcia rażeniowe lub elektrokorozja) oraz efektywności stosowanych środków ochrony W trakcji elektrycznej tylko część prądu powrotnego prąd płynący z pojazdu trakcyjnego do podstacji - wraca szyną. W związku z ograniczoną rezystancją przejścia między szyną, a ziemią część prądu wpływa do ziemi (ok.5-10%, maks. 40%) i przez pewien odcinek nią płynie. Zjawisko to jest korzystne ze względu na zmniejszenie rezystancji w części powrotnej obwodu zasilania, co w efekcie zmniejsza straty oraz zwiększa prawdopodobieństwo wyłączenia zwarcia. Niestety prądy błądzące (te, co płyną w ziemi) powodują korozję elektrolityczną podziemnych urządzeń metalowych, styku szyn z ziemią i nasad uszynionych słupów. Zjawisko jest silne dla systemów prądu stałego, dla przemiennego również występuje, ale w małym stopniu (im większa częstotliwość prądu, tym bardziej pomijalne zjawisko). Wartość prądów błądzących zależy od wielu czynników: a) Im mniejsza będzie jednostkowa rezystancja przejścia między szyną, a ziemią ( odniesiona do 1km), tym prądy błądzące będą przyjmować większe wartości. Problem urasta w dużych miastach, gdzie podziemna infrastruktura jest silnie rozwinięta, a warunki sprzyjają zmniejszaniu rezystancji przejścia między szyną, a ziemią. Rozbudowana jest sieć torów tramwajowych. Omawianą rezystancję zmniejsza zabrudzenie podsypki, tłucznia, opiłki pochodzące od hamowania i od tarcia odbieraka o sieć trakcyjną, woda. W skrajnych przypadkach rezystancja może spaść poniżej 0,5 Ω/km, a gdy wynosi ponad 30 Ω/km przyjmuje się tę wartość za dobrą. Typowa wartość rezystancji upływu jednego po toru ( co najmniej kilka miesięcy po wymianie podsypki) wynosi około 2 Ω/km. b) Prądy rosną gdy wzrasta rezystancja jednostkowa szyn. W celu jej zmniejszenia łączy się szyny jednego toru lub kilku równolegle dla przepływu prądu stałego c) Im dłuższy odcinek torów między punktami zasilania tym większy jest udział ziemi w przepływie prądu gdyż rośnie rezystancja wypadkowa szyn a maleje bocznikująca rezystancja przejścia z szyn do ziemi. 5
d) Im większy prąd pojazdów trakcyjnych tym silniejsze skutki elektrokorozyjne. Maleje sprawność układu zasilania i dodatkowo rośnie prąd w szynach na pokrycie strat. e) Przepływ prądów błądzących jest znacznie większy przy zasilaniu jednostronnym odcinka toru niż przy zasilaniu dwustronnym f) Zjawisko pogłębia się w stanach awaryjnych. Podczas zwarcia doziemnego gdy w obwodzie zasilania brakuje połączenia metalicznego, zwarcie występuje przez ziemię (np. upadek sieci zasilającej górnej na ziemię) a cały nie wyłączony prąd o wartości porównywalnej z wartością prądu roboczego płynie przez długi czas przez ziemię. Przy przerwie w szynach cały prąd roboczy może płynąć przez ziemię. Zwarcie metaliczne sieci do szyn ma małe znaczenie mimo dużej wartości prądu w szynach gdyż jest ograniczone w czasie do kilkudziesięciu ms. Prąd upływa z szyn do ziemi na odcinku toru, którego potencjał jest wyższy, niż potencjał ziemi, czyli w strefie anodowej szyn. Jeśli potencjał jakiegoś urządzenie podziemnego jest niższy, niż ziemi, to prąd wpływa do tego urządzenia, tworząc strefę katodową urządzenia. W rejonie, gdzie potencjał urządzenia jest wyższy, niż ziemi, prąd wypływa z tego urządzenia tworząc strefę anodową urządzenia. Każda strefa anodowa i katodowa wiąże się z elektrolizą, gdyż ziemia zawiera roztwory elektrolitów (przepływa prąd jonowy). W tej sytuacji w strefie anodowej następuje ubytek metalu anody (dokładnie dodatnich jonów). Zjawisko jest mniej groźne dla szyn, ze względu na ich dużą masę. Występują odcinki o dużej wilgotności gdzie z powodu korozji stopki występuje konieczność wcześniejszej wymiany szyn. Zjawisko jest niebezpieczne dla cienkich powłok kabli i rurociągów, gdzie mogą powstawać nadżerki korozyjne, a nawet dziury. Najskuteczniejszym środkiem ograniczenia prądów błądzących wywoływanych przez trakcję elektryczną prądu stałego jest dążenie do utrzymania przepływu trakcyjnego prądu powrotnego przez przewidziane w tym celu obwody powrotne. Można to osiągnąć albo przez zastosowanie przewodu przeznaczonego tylko do przewodzenia trakcyjnego prądu powrotnego (czwarta szyna), albo - gdy szyny jezdne są częścią obwodu powrotnego - przez zapewnienie dobrej izolacji szyn jezdnych i całego obwodu powrotnego względem ziemi Dodatkową poprawę można uzyskać przez zmniejszenie rezystancji wzdłużnej obwodu powrotnego. Dobra izolacja szyn jezdnych względem ziemi jest ważna także w celu ograniczenia ujemnego wpływu nowobudowanych sieci trakcyjnych na istniejący rozpływ 6
prądów w gruncie. W obszarach, gdzie istnieje ryzyko dużego oddziaływania prądów błądzących, jednostkowa konduktancja przejścia szyn względem ziemi powinna być na tyle mała w okresie budowy, aby podczas normalnej eksploatacji można było utrzymywać wartości podane w tablicy 1. Tablica 1: Zalecane wartości jednostkowej konduktancji przejścia G' między szynami a ziemią dla odcinków toru pojedynczego (wg normy PN-EN 50122-2. Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne. Część 2: Srodki ochrony przed oddziaływaniem prądów błądzących wywołanych przez trakcję elektryczną.) Rodzaj trakcji Teren otwarty S/km Kolej 0,5 0,5 Lokalny transport torowisko otwarte 0.5 0.1 Lokalny transport - torowisko zamknięte 0,5 - Tunel S/km UWAGA 1: Wartości w tablicy 1 dotyczą toru o dwóch szynach; UWAGA 2: Wartości dla kolei i lokalnego transportu szynowego z torowiskami otwartymi i zamkniętymi można osiągnąć przez zastosowanie: Małej rezystancji wzdłużnej szynowej sieci powrotnej. Z tego powodu szyny powinny być spawane albo połączone na stykach za pomocą podłużnych łączników szynowych o tak niskiej rezystancji, aby całkowita rezystancja wzdłużna szyn nie wzrosła więcej niż o 5 %.Rezystancję wzdłużną można zmniejszyć przez.: - zastosowanie szyn o większym przekroju; - poprzeczne łączniki szynowe i/lub poprzeczne łączniki międzytorowe (jeżeli pozwala na to system zabezpieczenia ruchu); - dodatkowe kable przyłączane równolegle do torów (jeżeli pozwala na to system zabezpieczenia ruchu). By zapobiegać niekorzystnym zjawiskom stosuje się szereg zabiegów i metod ochrony mające na celu ograniczenie wartości prądów błądzących jak i obniżenia prądu w urządzeniach podziemnych. Stosuje się również specjalne sposoby łączenia szyn z kablami 7
powrotnymi prowadzącymi do celki minusowej podstacji. Szyny ze słupem łączy się przez iskierniki i zwierniki, które przewodzą tylko w czasie awarii a izolują podczas normalnej pracy, co uniemożliwia przepływ prądu z szyn doziemi przez uziemienie słupów. Izoluje się rurociągi i kable, umieszcza się w specjalnych kanałach, kładzie się z daleka od torów; umieszcza się także szyny albo cały blok z szynami i podkładami w otulinie gumowej. Były to przykłady ochrony biernej. Stosuje się też sposoby ochrony czynnej, które polegają na likwidacji strefy anodowej urządzenia (staje się ono katodą w procesie elektrochemicznym). a) drenaż prosty Celem tej ochrony jest zapewnienie przepływu elektronowego, prądów błądzących od urządzenia do szyn zamiast prądu jonowego. Łączy się w tym celu obiekt chroniony ze źródłem prądów błądzących w punkcie o najniższym potencjale (w strefie anodowej urządzenia). b) drenaż spolaryzowany Należy go stosować, gdy w różnych sytuacjach eksploatacyjnych istnieje możliwość zmiany kierunku napięcia między szyną, a obiektem chronionym. Determinuje on kierunek przepływu prądu zawsze od obiektu chronionego do szyny. Połączenie uzyskuje się za pomocą rezystora i diody. Jego wadą jest to, że chroni tylko dane urządzenie, a zagrożenie innych wzrasta gdyż maleje wypadkowa rezystancja na drodze przepływu prądu. 8
c) drenaż wzmocniony (sterowany) ~ Chroniona konstrukcja Zasada jego pracy polega na przyłączeniu oddzielnego źródła prądu stałego biegunem ujemnym do chronionego urządzenia, a dodatnim do szyn jak na rysunku. d) metoda protektorowa Do urządzenia chronionego przyłącza się tzw. protektory elementy z metalu (najczęściej Mg, Zn, Al) o niższym potencjale normalnym (szereg elektrochemiczny metali), niż metal chroniony. Urządzenie chronione staje się katodą, a protektor anodą ogniwa elektrochemicznego. Ze względu na małą wartość potencjału elektrochemicznego (0,32 1,22V) ten rodzaj ochrony działa skutecznie tylko przy prądach o małej wartości. Protektor zużywa się przechodząc do roztworu wody gruntowej, zatem musi być co jakiś czas wymieniany. 9
e.) ochrona prądem z zewnętrznego źródła ~ Chroniona konstrukcja Anoda Gdy odległość od szyn jest duża lub nie można dołączyć obwodu do szyn stosuje się modyfikację drenażu wzmocnionego przez dołączenie dodatniego bieguna do zakopanej w ziemi elektrody (uziemiacza -anody). Uziemiacz trzeba okresowo wymieniać, gdyż ulega on korozji. Układ wymusza przepływ prądu ochrony z zewnętrznej anody poprzez ziemię do chronionej konstrukcji 2. Relacja: model a rzeczywistość: Zjawiska występujące w przyrodzie i technice są złożone. Budując model laboratoryjny dokonano pewnych uproszczeń. Zdyskretyzowano układ rzeczywisty do odcinków 1km. Przyjęto powtarzalne jednakowe parametry dla każdego odcinka. Model przedstawia sieć powrotną - dolną ( szyny) i zasilającą górną sieć o długości 24 km, na którym znajdują się 2 podstacje (możliwe zasilanie 1- i 2-stronne) oraz pociąg z lokomotywą (odbiór prądu). Dodatkowo wzdłuż torów od 5-go kilometra biegnie rurociąg. Jest on symbolem podziemnej infrastruktury metalowej ( i jej przykładem), którą ma chronić stacja ochrony katodowej przed efektami destrukcyjnymi prądów błądzących. Omawiany odcinek został podzielony na 24 jednokilometrowe odcinki, z których każdy jest reprezentowany przez rezystancje sieci, szyn, ziemi, rurociągu, uszynień oraz odpowiednie rezystancje przejścia między szynami i ziemią oraz rurociągiem i ziemią. Rezystancje te są połączone między sobą w sieć dwuwymiarową. 10
Przyjęto wyjściowo rzeczywiste wartości przedstawione w tabeli poniżej: Rg = 0,06 Ω/km Rs = 0,013 Ω/km Rsr = 0,013 Ω/km Rz = 1 Ω/km Rr = 0,04 Ω/km Rui = 3 Ω Rug1 = 8 Ω Rug2 = 4 Ω Rsz = 10 Ω/km Rsz1=0,5 Ω/km Rzzd = 2,5 Ω/km Rrz = 10 Ω/km E 1 (2) = 3850 V Rw = 0,15 Ω Rg rezystancja sieci górnej Rs rezystancja szyn (1 tor) Rsr rezystancja szyn (dodanie 2. toru) Rz rezystancja ziemi bliskiej Rr rezystancja rurociągu równoległego Rui rezystancja uszynienia indywidualnego Rug1 rezystancja uszynienia grupowego Rug2 rezystancja końca uszynienia grupowego Rsz rezystancja przejścia szyny ziemia bliska Rsz1- rezystancja przejścia szyny ziemia bliska (zmniejszenie dla gorszych warunków) Rzzd rezystancja przejścia ziemia bliska ziemia daleka Rrz rezystancja przejścia rurociąg ziemia bliska E 1 (2) napięcie jałowe podstacji Rw rezystancja wewnętrzna podstacji Dla modelu została przyjęta skala: Wartości w modelu : wartości rzeczywiste napięciowa 1 : 1000 (np. 3V : 3000V) prądowa 1 : 20000 (np. 0,05A : 1000A) rezystancyjna - 20 :1 (20 Ω : 1 Ω ) 3. Opis stanowiska: Stanowisko (rys. nr 2) składa się z toru dla lokomotywy stanowiącej pociąg i elementów pomiarowych i sterujących. Na lewym i prawym dolnym końcu znajdują się modele podstacji zasilających A i B. Na miernikach możliwe są odczyty napięcia [kv] i prądu [ka] przeskalowane do wielkości odpowiadających rzeczywistym. Istnieje możliwość załączenia i odłączenia wyjścia z podstacji na sieć (5,20). Dodatkowe wyjścia umożliwiają bezpośredni pomiar a potencjometr (6,21) umożliwia regulację napięcia jałowego podstacji A i odpowiednio B. Na lewo od panelu dotyczącego podstacji B znajduje się dodatkowy woltomierz pomiarowy ( mierzący w mv) z zaciskami oraz wyłącznik sieciowy z diodą sygnalizacyjną. W dolnej środkowej części znajduje się pulpit sterujący Stacją ochrony katodowej. Amperomierz pokazuje wartość prądu z rurociągu wyskalowany w [A], regulacja napięcia drenażu wzmocnionego (18) i woltomierz źródła drenażu wzmocnionego wyskalowany w [V]. Niżej znajduje się wyłączniki (11,12,14,16) załączające obwody dla różnych sposobów ochrony. Zaciski wyjściowe umożliwiają pomiar napięcia wyjściowego ze 11
stacji katodowej. Gniazda umożliwiają połączenie stacji ochrony katodowej do szyn (13), do ziemi bliskiej ( odpowiednik uziemienia o małej rezystancji ) (15), do rurociągu (17) w dowolnym miejscu odcinka toru. Między podstacją A i Stacją ochrony znajduje się panel sterujący Pociągu. Model pociągu ma możliwość regulacji prądu lokomotywy (10) a wskazuje go amperomierz wyskalowany w [ka]. Woltomierz wskazuje aktualne napięcie na lokomotywie w [kv] ( na pantografie ). Mierniki na stanowisku są przeskalowane i wskazują wartości napięć i prądów odpowiadające wartościom rzeczywistym. Możliwe jest odłączenie pociągu od sieci wyłącznikiem (7) jak i modelowanie zwarcia metalicznego w pociągu (między siecią a szynami) drugim wyłącznikiem (9) Nawrotnik służy do uruchomienia i przejazdu lokomotywy w lewo lub prawo wzdłuż toru Wyżej znajdują się wyłączniki umożliwiające modelowanie : zwarcie doziemne na 4 i 12 km oraz przerwę w szynach na 4 i 12 km Linie gniazd rurociąg (3), ziemia bliska (2), szyny (1) umożliwiają pomiar potencjałów dla tych elementów dla każdego kilometra. Na rurociągu dodatkowo są umieszczone cztery wyłączniki (23) służące do jego sekcjonowania (podzielenia na krótsze izolowane odcinki). 12
28 27 26 25 1 ZAŁĄCZANIE POŁOŻENIA POCIĄ GU KILOMETRAŻ UKŁAD 2-TOROWY PODSTACJA A ZMNIEJSZONA REZYSTANCJA PRZEJŚCIA SZYNA-ZIEMIA BLISKA USZYNIENIE GRUPOWE P O Ł O Ż E N I E G Ó R N E - Z A Ł Ą C Z E N I E USZYNIENIE INDYWIDUALNE PODSTACJA B 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 24 2 SZYNY ZIEMIA BLISKA 3 ZIEMIA DALEKA RUROCIĄG POLE POMIAROWE P O Ł Ą C Z E N I E S E K C J I R U R O C I Ą G U 23 4 PRZERWA W SZYNACH NA 4. KILOMETRZE ZWARCIE DOZIEMNE NA 12. KILOMETRZE PRZERWA W SZYNACH NA 12. KILOMETRZE 22 k V k A k V A k A V k V k A 6 5 REGULACJA NAPIĘCIA JAŁOWEGO WYŁĄCZNIK WYŁĄCZNIK LEWO NAWROTNIK PRAWO REGULACJA PRĄDU PRĄD Z RUROCIĄGU NAPIĘCIE DRENAŻU WZMOCNIONEGO D R E N A Ż REGULACJA NAPIĘCIA DRENAŻU WZMOCNIONEGO PROSTY SPOLARYZOWANY WZMOCNIONY PROTEKTOR POŁĄCZENIA ZE STACJI DO WOLTOMIERZ POMIAROWY REGULACJA NAPIĘCIA JAŁOWEGO WYŁĄCZNIK 21 20 NAPIĘCIE WYJŚCIOWE PODSTACJA A ZWARCIE W POCIĄGU POCIĄG NAPIĘCIE WYJŚCIOWE SZYNY ZIEMIA RUROCIĄG STACJA OCHRONY KATODOWEJ SIEĆ,NAPIĘCIE WYJŚCIOWE PODSTACJA B 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Rys. 2. Widok stanowiska
Załączenie położenia pociągu - to grupa wyłączników (24) która umożliwia załączenie modelu pociągu do szyn i sieci w wybranym miejscu toru zgodnie z numerem kilometra. Dopuszczalne jest załączenie tylko jednego wyłącznika. Możliwe jest również włączenie modelu pociągu w określonym miejscu toru ( za pomocą kontaktronów) przez ustawienie lokomotywy na danym kilometrze za pomocą Nawrotnika Cztery gniazda powyżej po włożeniu wtyczek zapewniają : - Układ 2-torowy (28) dołączenie równoległego drugiego toru co obniża dwukrotnie rezystancję wzdłużną toru - Zmniejszona rezystancja przejścia szyny ziemia bliska (27) co powoduje obniżenie rezystancji dla upływu prądu z szyn jak dla eksploatowanego dłużej toru - Uszynienie grupowe (26) powoduje zmianę rezystancji wzdłużnej ziemi jak dla uszynienia grupowego słupów trakcyjnych - Uszynienie indywidualne (25) powoduje zmianę rezystancji dla upływu prądu z toru do ziemi jak dla uszynienia indywidualnego słupów trakcyjnych Dołączenie modelu pociągu w wybranym położeniu,w modelu toru następuje dzięki załączeniu wybranego jednego wyłącznika położenia pociągu ( 24) w pozycję górną. Pozostałe wyłączniki z szeregu ( 24) powinny pozostać w pozycji dolnej. 14
4. Przebieg ćwiczenia: Badanie napięć szyny ziemia - rurociąg spowodowanych prądami pochodzenia trakcyjnego w zależności od odległości pociągu od podstacji Na początku wszystkie wyłączniki powinny być ustawione w pozycji dolnej. Załączyć model wyłącznikiem sieć (19) 1) Ustawić potencjometrem regulacja napięcia jałowego (21) (wyłącznik podstacji A i B wyłączony - na dół ) stałą wartość napięcia jałowego podstacji B Ub=3,8kV (lub inną z przedziału 3,4 3,9kV). Włączyć podstację B (wyłącznik oznaczony na schemacie płyty stanowiska rysunku nr. 2 - numerem 20, do góry) 2) Załączyć położenie pociągu (jeden z wyłączników oznaczony na schemacie płyty nr 24) na 24km. Wyłącznikiem (7) włączyć pobór prądu przez pociąg. Ustawić potencjometrem regulacja prądu (10) wartość prądu pociągu Ib=1,0 ka ( lub inną z przedziału 0,8 2,4kA) 3) Zgodnie z rysunkiem nr.3. Dołączyć woltomierze zewnętrzne na 21km ( lub19 km lub 22km lub 23km) między rurociąg i szyny do pomiaru napięcia - Urs, między szyny i ziemia bliska do pomiaru napięcia -Uszb. Napięcie między rurociągiem i ziemią bliską Urzb obliczyć jako różnicę między napięciami Urzb =Urs Uszb (3.1) 4) Rurociąg ciągły - bez izolacji między sekcjami ( rurociąg ciągły - wyłączniki (23) na 8,12,16,20 km zwarte pozycja górna) 5) Szyny bez przerw (wył. przerwa w szynach (22) na 4 i 12 km zwarte pozycja dolna) 6) Włożony wtyk w gniazdo Zmniejszona rezystancja przejścia szyna ziemia bliska (27) 7) Dla kolejnych pozycji pociągu od 24 do 1 zmierzyć wartości napięć (jak w p.3.). Pobór prądu przez pociąg w określonym miejscu toru następuje po włączenie jednego odpowiedniego wyłącznika położenia ( z linii 24). Załączenie położenia pociągu (pozycja górna) pozostałe wyłączniki na torze wyłączone ( pozycja dolna ). Po zmianie położenia pociągu doregulować prąd pociągu do wartości wybranej wg. punktu 1. Tabela 1. Napięcie między rurociągiem, szynami i ziemią bliską, prąd upływu z rurociągu Km 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Urs[V] Uszb[V] Urzb[V] Iur[A] 15
Obliczyć prąd upływu z rurociągu w pobliżu podstacji Iur w przeliczeniu na wielkości rzeczywiste Iur [A] = Urzb [mv] /Rrz [Ω] (3.2) Gdzie : rezystancja izolacji rurociągu na długości 1km Rrz=10 Ω W tabelach wpisywać wartości przeliczone na rzeczywiste to jest U[mV] zmierzone x1000 Badania rozpływu prądu do ziemi, napięć między szynami a ziemią 8) Ustawienia stanowiska jak w punktach1-6 ale załączenie pociągu wg. punktu 2 w położeniu 2km (lub 3 lub 4 lub 5 lub 6). Woltomierzami zewnętrznym zmierzyć napięcia między szynami a ziemią bliską na poszczególnych punktach toru od 0 do 24 Usz przełączając punkty pomiaru. Połączenia woltomierzy wg rysunku nr. 6 i woltomierze kolejno dołączane od punktu 0 do punktu 24. Pomiar ziemia bliska rurociąg dopiero od 5 kilometra. Położenie pociągu nie ulega zmianie. STACJA KATODOWA nie podłączona i wszystkie drenaże wyłączone (11,12,14,16) pozycja dół. Obliczyć prąd upływu z każdego kilometra szyny do ziemi dla punktów 1 do 23km Ius [A] = Uszb [mv] / Rsz 12 [Ω] (3.3) Rezystancja upływu szyn jednego toru na długości 1km Rsz 12 = 0,48 Ω Z końcowych odcinkach szyn z punktu 0km cały prąd płynący tym odcinkiem wypływa z szyn do ziemi a na 24 km cały prąd z ziemi wpływa do szyn (zamodelowanie warunków brzegowych - dalszych odcinków szyn które teoretycznie wybiegają poza obszar stanowiska) Wielkość tego prądu upływu na 0km i 24 km należy obliczyć w oparciu o prąd w szynach Dla 0km napięcie Us(0,1) pozwala obliczyć prąd wypływający z szyn do ziemi wg rys 4. Dla 24km napięcie Us(23,24) pozwala obliczyć prąd wpływający z ziemi do szyn Ius(0,1)= Is [A] = Us(0,1)[mV] / Rs [Ω] Rs = 0,0013 Ω (3.4) Ius(23,24)= Is [A] = Us(23,24)[mV] / Rs [Ω] Rs = 0,0013 Ω 16
Tabela 2. Napięcia i prądy upływu Km 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Uszb[mV] 8 8a 9 9a Ius[A] 8 8a 9 9a Urzb[mV] 8 X X x X x 8a 9 9a Iur[A] 8 X X x X x 8a 9 9a Obliczyć prąd wypływający i wpływający do rurociągu dla każdego kilometra Iur [A] = Urzb [mv] /Rrz [Ω] (3.5) Gdzie : rezystancja izolacji rurociągu na długości 1km Rrz=10 Ω Prąd wypływający z szyn i rurociągu oznaczyć (+) (wyższy potencjał na szynie i rurociągu w stosunku do ziemi), wpływający oznaczyć (-) Obliczyć całkowity prąd wypływający z rurociągu będący sumą prądów ze znakiem - Σ Iur(-) =? Obliczyć całkowity prąd wypływający z szyn będący sumą prądów ze znakiem - Σ Ius(-) =? Prąd ten jest maksymalnym prądem błądzącym Obliczyć jaki maksymalny procent prądu powrotnego Ib z pociągu do podstacji płynie w ziemi i w którym miejscu toru. I% = 100% Σ Ius(-) / Ib (3.6) 8a) Powtórzyć pomiary i obliczenia jak w p.8 gdy rurociąg z izolacją między sekcjami ( wyłączniki (23) na 8,12,16,20 km otwarte pozycja dolna ) 9, 9a) Połączenia wg rys. 6. Wyjścia ze STACJI KATODOWEJ : szyny (13) połączyć z szynami na 21 km, rurociąg (17) połączyć z rurociągiem na 21 km. Załączyć Drenaż prosty (wyłącznik (11) pozycja górna, pozostałe drenaże wyłączone (12,14,16) pozycja dół). Zmierzyć prąd drenażu amperomierzem na stacji katodowej. Id =? Przeprowadzić pomiary jak w punkcie 8 i następnie 8a ( rurociąg sekcjonowany). 17
W sprawozdaniu należy wykonać: a) Na podstawie pomiarów wg p.7 wykreślić przebiegi napięć i prądu upływu w funkcji położenia pociągu na torze. Określić przy jakiej odległości pociągu od podstacji B napięcia zmierzone i prąd upływu z rurociągu będzie największy b) Na podstawie pomiarów p.8, 9 wykreślić przebiegi prądów upływu w funkcji miejsca na torze. Dla rurociągu sekcjonowanego przedstawić wykresy dla niezależnych sekcji (nie łączyć wykresów dla sekcji w jedną linię). Zaznaczyć strefy anodowe szyn i rurociągów gdzie prąd z nich wypływa. Obliczyć ile materiału zostanie wyniesione z całych szyn a ile z rurociągu ( wykonanego ze stali) gdyby taki prąd płynął przez cały rok dla wszystkich przypadków. (wzór m=kit gdzie :m- masa, I- prąd, t- czas, k- równoważnik elektrochemiczny metalu) Wskazać miejsce najbardziej narażone na elektrokorozję w każdym z przypadków. Opisać efekty korzystne i negatywne zastosowania drenażu prostego. Równoważnik elektrochemiczny żelaza k= 1,04 [g/ah] 18
5. Pytania sprawdzające: 1.Czym jest zjawisko prądów błądzących?. 2.W jaki sposób powstają prądy błądzące w sposób naturalny. 3.Czy jest pozytywny skutek przepływu prądów błądzących dla trakcji elektryczne, a jeśli tak to jaki? 4.Na co działają i jaki jest mechanizm negatywnego oddziaływania prądów błądzących? 5.Jakie parametry sieci powrotnej wpływają na wielkość prądów błądzących? Jakie powinny mieć wartości? 6.W jakim obszarze układu zasilania trakcji elektrycznej i dlaczego infrastruktura podziemna jest najbardziej narażona na uszkodzenia? 7.Czy biegunowość sieci trakcyjnej ma wpływ na zagrożenie od prądów bładzących? 8.Czy w Metrze Londyńskim zagrożenie od prądów błądzących jest a.) takie samo, b.) większe, c.) mniejsze niż w Metrze Warszawskim? Dlaczego? 9.Jakie są podstawowe metody ochrony infrastruktury podziemnej przed korozją? 10.Co będzie miało większy negatywny wpływ na infrastrukturę podziemną : zwarcie sieci górnej doziemne (upadek przewodu plusowego na ziemię ) o małym prądzie ustalonym czy zwarcie metaliczne do szyn (połączenie przewodu plusowego z szyną) o prądzie maksymalnym 20 razy większym. 11.Jakie przepisy odnoszą się do ochrony od prądów błądzących? 12. Od czego zależy ilość wyniesionego metalu przez prądy błądzące? 13. Czy prądy błądzące zagrażają szynom jezdnym? 6. Literatura: 1 Dąbrowski T. -Sieci i podstacje trakcyjne, 1989 2 Podoski J., Kacprzak J., Mysłek J.- Zasady trakcji elektrycznej, WKiŁ, 1980 3 Mierzejewski L., Szeląg A., Gałuszewski M. -System zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego, WPW 1989 4. Dziuba W. Prądy błądzące, IEl, 1998 19
STANOWISKO SZYNY 19 20 21 + H -- L mv Uszb ZIEMIA BLISKA mv RUROCIĄG + H -- L Urz b Rys. 3. Pomiar napięć szyny-rurociąg i szyny-ziemia STANOWISKO SZYNY n n+1 mv + H -- L Us ZIEMIA BLISKA Rys. 4. Pomiar prądu w szynach 20
STANOWISKO SZYNY n n+1 21 + H -- L mv Us ZIEMIA BLISKA mv RUROCIĄG + H -- L Uszb SZYNY RUROCIĄG STACJA OCHRONY KATODOWEJ Rys. 5. Pomiar napięć szyny-ziemia i prądu w szynach STANOWISKO SZYNY n + H -- L mv Uszb ZIEMIA BLISKA mv RUROCIĄG + H -- L Urzb Rys. 6. Pomiar napięć szyny-ziemia i rurociąg - ziemia 21