Протекторная защита силовых кабелей от коррозии

Министерство  образования и науки РФ

Контрольная работа

по дисциплине

«Электромагнитная совместимость»

на тему: «Протекторная защита силовых кабелей от коррозии».

Содержание.

Введение…………………………………………………………………………...2

Виды и элементы силовых  кабелей……………………………………………...2

Виды и причины коррозии оболочки кабеля……………………………………4

Протекторная защита кабелей  от коррозии……………………………………..6

Защита кабелей от коррозии блуждающими токами………………………….10

Введение.

Среди различных способов защиты металлов от коррозии особое место  занимают электрохимические способы. Это обстоятельство связано с  тем, что чаще всего металлы в  эксплуатационных условиях подвергаются электрохимической коррозии, против которой наиболее эффективны электрохимические  методы защиты. Сущность  всех электрохимических  методов  защиты заключается в  смещении потенциала защищаемого металла  в область значений, при которых  его ионизация затруднена.

Виды и элементы силовых  кабелей.

 Силовые кабели предназначены для передачи по ним на расстояние электроэнергии, используемой для питания электрических установок. Они имеют одну или несколько изолированных жил, заключенных в металлическую или неметаллическую оболочку, поверх которой в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может иметься соответствующий защитный покров и в необходимых случаях броня.

Силовые кабели состоят из следующих основных элементов: токопроводящих жил, изоляции, оболочек и защитных покровов. Помимо основных элементов  в конструкцию силовых кабелей  могут входить экраны, нулевые  жилы, жилы защитного заземления и заполнители.

  Виды сечений силовых кабелей:

 а) - двужильные силовые  кабели с круглыми и сегментными жилами;

 б) - трехжильные силовые  кабели с поясной изоляцией  и с отдельными оболочками;

 в) - четырехжильные силовые  кабели с нулевой жилой секторной,  круглой и треугольной формы Современные силовые кабели, в зависимости от условий использования, имеют широкое разнообразие типов, размеров и используемых материалов.

Каждый силовой кабель состоит из трех обязательных элементов:

• токопроводящая жила,
• изоляция токопроводящей жилы,
• оболочки.

          Кроме этого силовой кабель может состоять из:

• экрана,
• поясной изоляции,
• подушки под броню,
• брони.

Токопроводящие  жилы предназначены для прохождения электрического тока, они бывают основными и нулевыми. Основные жилы применяются для выполнения основной функции силового кабеля - передачи по ним электроэнергии. Нулевые жилы предназначены для протекания разности токов фаз (полюсов) при неравномерной их нагрузке. Они присоединяются к нейтрали источника тока.

 Жилы защитного заземления являются вспомогательными жилами силового кабеля и предназначены для соединения не находящихся под рабочим напряжением металлических частей электроустановки, к которой подключен силовой кабель, с контуром защитного заземления источника тока.

 Изоляция служит для обеспечения необходимой электрической прочности токопроводящих жил силового кабеля по отношению друг к другу и к заземленной оболочке (земле).

Экраны используются для защиты внешних цепей от влияния электромагнитных полей токов, протекающих по силовому кабелю, и для обеспечения симметрии электрического поля вокруг жил кабеля. Их изготавливают из медных лент или алюминиевой фольги, наклеенной на кабельную бумагу (металлические ленточные экраны); оплётки медными проволоками (гибкие проволочные экраны); электропроводящей кабельной бумаги  (электропроводящие экраны).

 Заполнители предназначены для устранения свободных промежутков между конструктивными элементами силового кабеля в целях герметизации, придания необходимой формы и механической устойчивости конструкции кабеля.

 Защитные покровы предназначены для защиты оболочки силового кабеля от внешних воздействий. В зависимости от конструкции кабеля в защитные покровы входят подушка, бронепокров и наружный покров.

В настоящее время в  качестве материала токопроводящих жил используют алюминий или медь.

По типу изоляции силовой  кабель разделяется на виды - пропитанная  бумажная изоляция, полимерная изоляция, изоляция из резиновых смесей, сшитый полиэтилен. Силовой кабель с пропитанной бумажной изоляцией применяется в электрических сетях с напряжением от 1 до 750 кВ и частотой 50 Гц. Самый современный на данный момент это кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена. Данный кабель применяется как при низком, так и при высоком напряжении, он выдерживает высокую температуру и обладает высокой прочностью. Даже при перегрузке сети силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена помогает избежать возникновения короткого замыкания. Такой кабель значительно легче по сравнению с другими кабелями, что делает работу с ним удобной и быстрой. Он эксплуатируется при температурах от −50 до +50 по Цельсию. Температура длительно допустимая для нагрева жил составляет +90 градусов Цельсия. Максимально допустимая температура при коротком замыкании составляет от +250 градусов. Срок службы кабеля не менее 30 лет.

У некоторых типов кабелей, например, прокладываемых в земле  или под водой, для защиты от механических повреждений и увеличения прочности  кабеля поверх оболочки накладывают  броню из стальных лент или проволок.

Виды и причины коррозии оболочки кабеля.

Условия работы кабельных  линий более благоприятные, чем  условия воздушных линий. На работу кабельных линий не влияют такие  неблагоприятные для воздушных  линий явления, как бури, гололед, дожди, туманы и т. п. Имеются, однако, факторы, которые могут привести к нарушению работы кабельных линий или к сокращению их срока службы. Одним из таких факторов является разрушение металлической (свинцовой, алюминиевой) оболочки и стальной брони кабелей, обусловленное электрохимической (почвенной) коррозией или электрической коррозией. Почвенная, или электрохимическая, коррозия металлических покровов (оболочки и брони) кабелей происходит в результате воздействия на них находящихся в почве органических и неорганических кислот, щелочей и солей. Защита  от коррозии вообще необходима в том случае, когда процесс коррозии протекает при таком потенциале, которому соответствует скорость ионизации металла, превышающая  технически допустимую, обеспечивающую необходимую долговечность конструкции.

Электрохимические процессы, обусловливающие явление почвенной  коррозии, аналогичны процессам, происходящим в обычном гальваническом элементе. Как известно, при замыкании внешней  цепи гальванического элемента ток  в ней потечет от положительного угольного электрода к отрицательному цинковому. Внутри элемента ток через электролит будет протекать от цинкового электрода к угольному и цинковый электрод будет разрушаться (корродировать).

Присутствующие в почве  кислоты, щелочи и соли, растворенные в почвенной влаге, являются электролитом. При соприкосновении с электролитом металла (оболочки или брони кабеля) на его поверхности образуется множество  микроскопически малых гальванических элементов. Электродами в этих элементах  являются разнородные по структуре  зерна металла или металл и  находящиеся в нем примеси. Протекающие  в этих гальванических элементах  токи и вызывают коррозию металла, аналогичную  коррозии цинка в обычном гальваническом элементе. Такие гальванические элементы могут образоваться в результате контакта в электрической среде  двух разнородных металлов, например свинцовой оболочки и брони кабеля.

Причиной почвенной коррозии может также явиться неоднородный состав почвы вдоль оболочки кабеля или различная по длине кабеля концентрация агрессивных веществ. В этом случае вдоль оболочки кабеля также создается некоторая разность потенциалов, вызывающая ток в оболочке и ее разрушение в месте выхода тока в почву.

Для свинцовой оболочки кабелей  наиболее опасным является присутствие  в почве уксусной кислоты, извести, нитратов (азотнокислых солей) и перегноя от органических веществ. Грунт с  большим содержанием известняка (мергельный), а также насыпные грунты с содержанием в них каменноугольной  смолы и доменных шлаков, представляющих собой сильные щелочи, также вредно действуют на свинцовую оболочку кабелей. Для стальной брони кабелей  наиболее опасными являются хлористые, серные и сернокислые соединения, находящиеся в почве. Для алюминиевой  оболочки кабелей коррозионно опасной  считается влажная почва любого состава.

Электрохимическая коррозия возникает из-за наличия во влажной  почве органических и неорганических кислот, щелочи, азотнокислых солей, хлористого натрия и т. п. Почва с большим  содержанием известняка, каменноугольной  золы и шлаков также сильно влияет на металлические оболочки кабелей  и в короткий срок может привести кабель в негодность. Оболочки кабелей, проложенных вблизи электрифицированных  железных дорог постоянного тока и трамвайных линий, использующих рельсы в качестве обратного провода, подвергаются коррозионному воздействию блуждающих в земле токов. Такой вид коррозии называют электрической коррозией.

Межкристаллитная коррозия свинцовых оболочек кабеля возникает  вследствие его длительной вибрации, вызываемой движущимся транспортом, если кабель проложен на железнодорожных  или автодорожных мостах или вблизи от железнодорожных или трамвайных путей, и при длительной транспортировке кабеля, если барабаны с кабелем недостаточно амортизированы. Возникающие при вибрации кабеля знакопеременные нагрузки в оболочке приводят к усталости материала оболочки и ее растрескиванию, происходящему преимущественно по границам кристаллитов (зерен) свинца. В появившихся мелких трещинах происходит образование окиси свинца, что ускоряет процесс коррозии. Алюминиевые оболочки кабелей практически не подвержены межкристаллитной коррозии.

Атмосферная газовая коррозия, как правило, носит электрохимический  характер и возникает при окислении  металла, например, кислородом воздуха, при повышенной температуре.

Для определения степени  опасности коррозии и выбора средств  защиты сооружений проводят исследования и электрические измерения.

Протекторная защита кабелей от коррозии.

Наибольшее распространение  получили способы защиты кабелей  посредством протекторов, электрических дренажей и катодных станций.

Для защиты кабелей от почвенной  коррозии и (в определенных условиях) от электрокоррозии применяются протекторы — анодные электроды. Протекторная защита по  принципу действия представляет собой разновидность катодной защиты, в которой отсутствует источник внешнего тока. Катодная поляризация в катодной защите достигается соединением кабеля с минусом внешнего источника тока, а в протекторной защите — соединением кабеля с электродом, имеющим по сравнению с ним пониженный (более отрицательный) электрохимический потенциал.

Принципиальная схема  протекторной защиты.

1 - защищаемый объект; 2 - пластина  проварная; 3 - анодный электрод (протектор); 4- активирующий заполнитель из смеси сернокислого магния, сернокислого кальция глины; 5 - соединительный изолированный провод (типа ВРГ сечением 2,5-4 кв. мм).

Принцип протекторной защиты состоит в том, что катодная зона на оболочке кабеля создается в результате ее соединения изолированным проводом с заземленным протекторным электродом, имеющим более низкий электрохимический потенциал, чем потенциал заземляемой оболочки, Такой электрод является анодом, и ток с него будет стекать в землю. Оболочка кабеля при этом становится катодом, и, следовательно, защищена от коррозии.

Протекторная установка  представляет собой гальванический элемент, в котором анодом является протектор, катодом — защищаемый кабель, а электролитом — окружающая почва. Потеря металла в протекторе под действием коррозии в нем  не превышает потери металла в  кабеле без защиты. Протектор представляет собой электрод, выполненный из магниевого сплава. Обычно зона протекторной защиты  вдоль кабеля ограничена несколькими  десятками метров.

Защита с помощью протекторов не требует специальных источников энергии, поэтому может быть использована в труднодоступных районах, где отсутствуют постоянные источники энергии.

Ее  используют преимущественно  в тех  случаях, когда необходим  защитный ток малой величины. Это  бывает, если конструкция имеет хорошее  изоляционное покрытие и необходима защита только тех участков, где  изоляция нарушена.

Область применения протекторной защиты ограничивается величиной удельного  сопротивления  грунта. В токопроводящих грунтах протекторная защита становится малоэффективной.

 К протекторным материалам  предъявляются  определенные  требования:

- потенциал материала  протектора  должен быть достаточно отрицательным, чтобы пара "протектор – сталь" имела максимальную ЭДС;

- протекторы не должны  пассивироваться, т.е. поляризация протектора при пассивации может значительно снизить защитный ток.

 Для уменьшения возможности  пассивации протектора его помещают  в мешки, заполненные специальным  активатором. 

  - протекторный материал  должен иметь высокую эффективность  или высокую токоотдачу.

    В качестве  протекторных материалов могут   быть использованы магний, алюминий, цинк или сплавы на основе  этих металлов. Однако следует  отметить, что чистые металлы,  несмотря на достаточно высокий  отрицательный потенциал, не получили  широкое применение. Это объясняется  тем, что Mg имеет сравнительно низкую токоотдачу, а алюминий и цинк склонны к пассивации. Например, КПД магния на 10-20% ниже, чем КПД специальных протекторов, изготовленных из сплавов на основе магния.

 Поэтому наибольшее  применение находят различные   протекторные сплавы. Введение добавок  в основной металл позволяет  получать более отрицательный  потенциал, более, активный, равномерно  растворяющийся и не склонный  к пассивации материал. В ближайшем будущем вся аппаратура по электрической защите от коррозии подземных сооружений  (в том числе и кабельных) будет унифицирована.

Существуют и другие способы  защиты кабелей, но они менее распространены. Защита кабелей может осуществляться комплексно с одновременным использованием дренажей, катодных станций и протекторов совместно с другими металлическими сооружениями.

С целью выравнивания потенциала между оболочками проложенных в  одном направлении кабелей их перепаивают поперечными отрезками  свинцовой ленты в кабельных  шахтах, шкафных и разветвительных колодцах, в колодцах при пересечении с рельсами электрифицированных дорог и через два-три колодца на прямолинейных участках трассы. Подземные кабели перепаивают отрезками кабеля ПРППМ 1X2X1,2, присоединяемыми к стальной броне.

Электрическая коррозия металлических  покровов кабеля, возникающая под  воздействием блуждающих в земле  токов, по сравнению с почвенной  является более опасным видом  коррозии. Рассмотрим причины возникновения  в земле блуждающих токов.

Как известно, питание электровозов и электросекций на ряде наших электрифицированных железных дорог, а также питание электродвигателей трамвая осуществляется постоянным током, подаваемым от тяговых подстанций по контактной сети; обратным проводом, по которому ток возвращается на тяговую подстанцию, являются рельсы. Вследствие того что рельсы представляют для тока известное сопротивление, большая часть возвращающегося на подстанцию тока ответвляется в землю и протекает по земле; протекающий по земле ток и принято называть блуждающим.

Если параллельно рельсам  проложен подземный кабель, то блуждающий ток будет стремиться пройти по металлической  оболочке и броне кабеля. При принятой полярности ток у места нахождения электровоза будет входить в  оболочку и броню кабеля, а в  районе тяговой подстанции выходить из них. Те участки кабеля, на которых  блуждающие в земле токи входят в  оболочку и броню кабеля, принято  называть катодными зонами, так как  оболочка и броня кабеля на этих участках имеют отрицательный потенциал  по отношению к окружающей их среде. Участки кабеля, на которых блуждающие токи выходят из оболочки и брони  кабеля в землю, называют анодными зонами, так как на этих участках оболочка и броня имеют положительный  потенциал по отношению к земле. В месте выхода тока из оболочки и брони, т. е. в анодной зоне, будет  происходить электролиз металла  оболочки и стальной брони, вызывающих их коррозию.

Насколько большой вред могут  причинить защитным покровам кабеля блуждающие токи, можно видеть из того, что постоянный ток 1А, выходящий из оболочки и брони кабеля в землю, может разрушить в течение года около 35 кг свинца, 9 кг стали или 3 кг алюминия. При этом следует учесть, что блуждающие токи, протекающие по оболочке кабеля, в особо неблагоприятных случаях могут достигать десятков ампер. Проложенный в земле кабель со свинцовой оболочкой в том случае считается защищенным от коррозии, если во всех точках потенциал оболочки кабеля по отношению к земле является отрицательным. Коррозия алюминиевых оболочек кабелей, вызываемая постоянным блуждающим током, может происходить как на анодных, так и на катодных участках. Блуждающие токи на участках железных дорог, электрифицированных по системе однофазного переменного тока, также протекают по оболочке и броне, проложенных вблизи кабелей. Однако эти токи имеют переменный по знаку потенциал (по отношению к земле), изменяющийся с периодичностью 100 раз в секунду, и вследствие этого практически не оказывают коррозионного воздействия на свинцовую оболочку и стальную броню кабелей. Исследования показали, что алюминиевые оболочки кабелей могут коррозировать под воздействием блуждающих переменных токов. Однако в конструкции кабелей с алюминиевой оболочкой предусмотрена ее защита в виде пластмассового шланга или нескольких слоев поливинилхлоридной ленты. Эти покрытия надежно защищают алюминиевую оболочку от почвенной коррозии и коррозии блуждающими постоянными или переменными токами. Однако эффективность покрытия имеет место только в том случае, если в стыках строительных длин проложенного кабеля надежно изолированы от земли его концы и соединительная или разветвительная муфта.

Мероприятия по защите кабелей  от почвенной коррозии.

Защита кабелей от почвенной  коррозии. Чтобы предохранить кабель от почвенной коррозии, трассу кабелей  следует выбирать так, чтобы она  не проходила в грунтах с большим  содержанием извести, в болотистых и топких местах. Необходимо обходить места скопления кислот и участки  с насыпными грунтами, содержащими  каменноугольные смолы и шлаки, места свалок мусора и промышленных отходов, а также районы стока загрязненных промышленных вод. В тех случаях, когда не представляется возможным избежать прокладки кабеля в таких грунтах, для защиты металлических оболочек кабелей применяют кабели с пластмассовыми изолирующими покрытиями оболочки. Хорошую защиту от почвенной коррозии дает прокладка кабелей на участках с агрессивными грунтами в асбестоцементных трубах.

Защита кабелей от коррозии блуждающими токами.

Одним из основных мероприятий  по защите кабелей от коррозии блуждающими  токами на электрических железных дорогах  постоянного тока является ограничение  величины токов утечки из рельсовых  нитей в землю. Для этого повышают электропроводимость рельсовых  нитей и переходное сопротивление  между рельсами и землей. Повышение  электропроводимости рельсовых  нитей достигается установкой в  месте стыков отдельных звеньев  рельсов приварных рельсовых  соединителей, которые делают из скрученных в жгут медных проволок общим сечением не менее 70 мм². При этом сопротивление стыка не должно превышать сопротивления 3 м сплошного рельса. Увеличение переходного сопротивления между рельсами и землей достигается применением шпал, пропитанных креозотом или другими не проводящими тока масляными антисептиками, применением щебеночного или гравийного балласта и отводом воды с поверхности пути.

Сопротивление изоляции рельсовых  нитей, уложенных на железобетонных шпалах, должно быть не ниже, чем при  применении деревянных шпал. Для этой цели между подошвой рельса и железобетонной шпалой устанавливают резиновые  прокладки, а болты, крепящие рельс  к шпале, изолируют от тела шпалы  изоляционными втулками и шайбами. На станциях и перегонах между  подошвой рельса и балластом должен быть зазор не менее 30 мм. Правилами  техники безопасности предусмотрено  электрическое соединение металлических  и железобетонных опор контактной сети с ходовыми рельсами. Если сопротивление  заземления этих опор меньше 20 Ом, то для  уменьшения утечки токов из рельсов  в землю опоры на перегонах  и станциях присоединяют к рельсам  не непосредственно, а через искровые промежутки (искровые разрядники). Кроме  того, рельсовые нити изолируют от ферм мостов и железобетонной арматуры.                                                          

Другим мероприятием по защите кабелей от коррозии блуждающими  токами является повышение переходного  сопротивления между кабелем  и окружающим его грунтом, а также  между кабелем и рельсами электрической  железной дороги или трамвая. Для  этого кабели стараются по возможности  прокладывать вдали от рельсов. В  местах пересечения кабелей с  рельсами устраивают кабельную канализацию из асбестоцементных труб. Наряду с применением дополнительных   изолирующих   покрытий   аналогично защите от почвенной коррозии осуществляют прокладку кабелей в деревянных  или железобетонных желобах.

При прокладке кабелей  по металлическим или железобетонным мостам эти кабели тщательно изолируют, не допуская электрического соединения металлических оболочек кабеля или  стальных труб, в которых он проложен, с металлическими деталями мостов. Повышение переходного сопротивления  между кабелем и рельсами достигается  также выполнением рекомендаций по прокладке и монтажу кабелей. К их числу относятся рекомендации об изоляции  кабеля от корпусов релейных шкафов,  изоляция от муфты светофорного  станка  и  металлического основания  светофорной мачты и т.п.

Список литературы:

1. Мукосеев Ю.Л. «Электроснабжение промышленных предприятий».

Учебник для вузов. М.: "Энергия", 1973 г. – 584 с.

2. Федоров Л.Е. «Электроснабжение промышленных предприятий».

Учебник для вузов. М.: 1986 г. – 496 с.

          3. Кононенко В.В. «Электротехника  и электроника» Учебное пособие для вузов 2007 г.-784 с.