Působení bludných proudů na kovové konstrukce a jejich degradace (3)

(pokračování z ELEKTRO 5/2021)

Příčiny koroze kovů při jejich styku s elektroizolačními materiály

V některých případech může dojít k tomu, že na povrchu kovových částí se usadí, či ulpí izolační prachové částice. Potom může za ztížených klimatických podmínek dojít v elektrických zařízeních ke zvýšené korozi těchto kovových součástí, které jsou v bezprostředním styku s elektroizolačními materiály. Příčinou koroze kovu v systému „kov-izolant“ je plazivý proud, který vzniká ve vrstvičce elektrolytu na povrchu izolantu. K tvorbě elektrolytu dochází následkem rozpuštění různých složek materiálu, uvolňujících se při jeho rozkladu, v povrchovém vodním filmu, který se vytváří adsorpcí molekul vody na povrchu materiálu v prostředí vysoké relativní vlhkosti. Důležitou roli hraje nejen povaha rozpuštěných látek, ale i polarita molekul izolačního materiálu, tj. jeho schopnost poutat molekuly vody [1].

Mechanizmus koroze kovu ve styku s elektroizolačním materiálem je schematicky znázorněn na obr. 14. Na destičku izolačního materiálu jsou přiloženy dvě kovové elektrody. Tento model je připojen ke zdroji stejnosměrného napětí a exponován v prostředí s vysokou relativní vlhkostí. Izolant navlhá a na jeho povrchu se vytvoří souvislá vrstva molekul vody, v níž se rozpouštějí produkty degradace materiálu. Rozpuštěné látky se ionizují, anionty putují ke katodě, kationty k anodě. Následkem vytvořeného potenciálního spádu vzniklý plazivý proud je tedy příčinou koroze obou elektrod. Tato koroze je nazývána „koroze plazivým proudem“.

Po ukončení expozice lze kovové pásky hodnotit jednak vizuálně, případně měřit jejich pevnost v tahu. Z výsledků měření pevnosti v tahu lze pak stanovit např. faktor úbytku pevnosti v tahu K ze vztahu:

Je to poměr snížení pevnosti v tahu kovového pásku na anodě (P₀-P₁) k tažné síle potřebné k přetržení pásku na katodě (P0). Vlastnosti fólie, k níž byla přiložena katoda, zůstávají v podstatě nezměněny, zatímco u fólie na anodě dochází ke značnému snížení pevnosti v tahu.

Při tomto druhu koroze se zhruba uplatňuje:
a) termodynamický vztah mezi změnou Gibbonovy volné entalpie příslušné chemické reakce a jejím elektrodovým potenciálem,
b) vztah mezi procházejícím proudem a rychlostí reakce podle Faradayova zákona,

Posouzení možnosti vzniku bludných proudů s ohledem na konstrukční provedení vlečky

Technologická linka má ovládací, signalizační, spínací a jisticí prvky umístěné v rozváděči RM1. Na ovládacím panelu OP1 jsou umístěné všechny ovládací prvky, nezbytné pro řízení zařízení. Proudovou a napěťovou soustavu tvoří 3/PEN, 400/230 V, 50 Hz, TN-C-S, 2/PE DC 24 V, PELV, 2/PE AC 24 V, 50Hz, PELV. Výkon technologické linky je 28 kW. Za normálních okolností nemůže být technologické zařízení pro tažení vagónů na vlečce zdrojem bludných proudů. Z fotodokumentace dané lokality je ovšem zřejmé, že při uvedení technologické linky do provozu byly propojeny kolejnice vlečky s ochranným pospojováním technologické linky prostřednictvím šroubu dodatečně přivařeného (1), obr. 15 ke kolejnici.

Obr. 15. Šroub přivařený ke kolejnici (1), který sloužil k propojení ochranného pospojování v pohledu z boku a shora

V tomto případě je napájení troleje realizováno stejnosměrnou trakční proudovou soustavou 3 kV a je zajišťováno ze dvou míst. Kolejové lože traťové koleje je vyhovující, zhotovené z betonových pražců, pod patami kolejnic jsou elektroizolační podložky v podkladnicovém upevnění, kolejové lože je štěrkové, bez viditelných hliněných příměsí.

Trolej na trati, stejně jako nad částí vlečky, je polarizovaná + a kolejnice mají polaritu –. Propojka byla zhotovena za účelem možnosti zajíždění vlaků na vlečku a elektrická instalace nebyla provedena v souladu s požadavky normy, zejména ochrany před nebezpečným dotykem. Jde především o zapojení ochranného vodiče. Elektrizace vlečky je provedena v délce cca. 100 m za výhybkou. Na začátku je izolovaný styk (IS), který je součástí zabezpečovacího zařízení. Za normální situace, když vlečka není elektrizovaná, nemá být IS překlenut. Záběrný proud našich lokomotiv (o výkonu 4 MW), používaných ČD činí cca. 1000 A. U lokomotiv Taurus (s výkonem 6 MW) činí 1 500 až 1 800 A. Při kontrolním měření byl počet měřicích bodů při měření v obci limitován objemem finančních prostředků, ale pro zmapování situace byl dostačující. Měření trvalo dvě hodiny a bylo prováděno od 10.00 – 12.00 hod. Z výsledků měření vyplývá, že rychlost korozního působení byla na jednotlivých místech limitována zejména:
– elektrochemickým ekvivalentem kovu,
– velikostí proudu,
– dobou působení.

Po zjištění příčiny problému bylo odstraněno propojení IS a do napájecího obvodu byl instalován oddělovací transformátor.

Z protokolu Technické ústředny bylo zřejmé, že byly provedeny následující činnosti:
– základní korozní průzkum v rozsahu daném ČSN 03 8375,
– měření potenciálu úložného kovového zařízení (plynová potrubí) a měření korozního potenciálu PEN vodiče rozvodné energetické sítě proti měděné referenční elektrodě CSE (Cu/CuSO4).

Z výsledků měření dále vyplývalo, že v části obce byla zjištěna velmi silná anodická oblast, ve které docházelo při kontaktu úložného zařízení s půdním elektrolytem ke korozi bludnými proudy zejména u plynových rozvodů, vodovodních rozvodů, ústředního vytápění, apod.

Bylo zjištěno, že izolovaný styk (obr. 16) byl překlenut vodičem ze středu stykového transformátoru, protože na vlečkovou kolej zajížděla i elektrická lokomotiva.

Trakční proud se dostával po vlečkové koleji až do prostoru umístění elektrického zařízení pod vlečkovou kolejí a propojovacím vodičem (PEN vodičem), neboť ochrana před nebezpečným dotykovým napětím neživých částí byla provedena v rozporu s ČSN 34 1500 a pak do místní distribuční sítě obce. Dále pak ochranou nulováním a pospojováním na kovová úložná zařízení v rodinných domcích v obci. Následně byl proto potom na středu stykového transformátoru rozpojen vodič, který propojoval trakční kolej s vlečkovou kolejí. Vzhledem k tomu, že se předpokládalo, že v obci a v RD mohou být korozně narušena kovová potrubí, bylo občanům doporučeno provedení aplikace např. plastových průchodek.

Po provedení doporučených úprav (obr. 17) následovalo v roce 2009 nezávislé měření potenciálu úložných kovových zařízení, uzemnění a vodiče PEN proti měděné elektrodě Cu/CuSO4 podle ČSN EN 13509. Měření bylo provedeno po instalaci oddělovacího transformátoru pro napájení elektrického zařízení vlečky. Týkalo se areálu vlečkové koleje a vytypovaných míst v obci. V této době již byla vlečková kolej odpojena od trakční koleje, napájení elektgrického zařízení bylo provedeno přes oddělovací transformátor. Uzemnění (F1) primární strany oddělovacího transformátoru nebylo a není galvanicky spojeno s uzemněním (F2) jeho sekundární strany. Neživé části elektrického zařízení byly ještě připojeny na vlečkovou kolej, tj. v původním stavu jako po vybudování technologického zařízení.

V závěru se mj. konstatuje, že měření jednoznačně prokázalo, že elektrické zařízení vlečkové koleje již nemá vliv na napěťové poměry na vodičích PEN a uzemněních obce.

Spojení kolejnice s těmito kovovými částmi však již bylo potom demontováno. Patrný je pouze šroub, přivařený ke kolejnici, ke kterému byl ochranný vodič připojen. Kdy došlo k demontáži tohoto propojení se nepodařilo zjistit.

Parametry oddělovacího transformátoru TOC 63-020 od firmy SOLID TEAM s. r. o typ K23:

U_n = 400 V, 50 Hz, I_n = 80 A, IP44/21, rok výroby 12/2008, 3× 380 V +/-5 %, 3× 380/220, A96/96, 50 Hz, SOLID TEAM s.r.o typ K23. Transformátor je jištěný pojistkami 80 A OEZ.

Následně se uskutečnila prohlídka budov v obci, obecního úřadu, hasičské zbrojnice a zemědělské haly. Prohlídkou bylo zjištěno poškozené uzemnění zemědělské haly, kde došlo k poškození ochrany proti atmosférickému přepětí na budově obecního úřadu, apod.

Došlo, jak již bylo zmíněno, k poškození plynových přípojek, topných soustav v rodinných domech v obci.

3. Závěr

V průběhu společného setkání všech zainteresovaných byl vysloven názor, že revizi uvedeného zařízení prováděl pracovník, který k tomu (asi) neměl příslušné oprávnění. Navíc řešení této záležitosti by bylo údajně vhodné situovat až do roku 2001, kdy Stavební úřad vydal stavební povolení. S daným časovým odstupem, po uklidnění emocí, se zjistilo, že již v průběhu zkušebního provozu tažného zařízení došlo k několika problémům a následným škodám. Po těchto zkušenostech začal vagóny na vlečce potahovat vlak. Projektant sice navrhl napájení v izolované soustavě, ale v konečné podobě návrh nebyl realizován (dodržen). Před uvedením vlečky do provozu navíc nebylo měření bludných proudů provedeno.

Příčinou vzniklých problémů bylo:
– elektricky vodivé propojení kolejnic vlečky s hlavní tratí a následně jejich elektricky vodivé propojení s ochranným vodičem distribuční soustavy; tím byly bludné proudy zavedeny na teritorium obce,
– míra úniku bludných proudů byla úměrná intenzitě provozu na hlavní trati,
– únik bludných proudů nebyl podmíněn provozem trakčních vozidel na vlečce, ale existence bludných proudů byla přímo podmíněna provozem trakčních vozidel na hlavní trati; k úniku bludných proudů docházelo i v případě, že provoz trakčních vozidel na vlečce nebyl realizován,
– za cestu úniku bludných proudů lze považovat elektrický obvod, zahrnující zdroj, spotřebič, spojující vedení a zem; pro potřeby řešeného případu byl klíčový ten úsek, ve kterém proud protéká zemí; v daném případě byl zdrojem bludných proudů provoz trakčních vozidel na hlavní trati; mezi spojovací vedení lze zahrnout kolejnice, propojovací ochranný vodič, střední vodič napájecí soustavy a zem; s ohledem na existující dispozice lze usoudit, že se bludný proud bude vracet především do měnírny,
– nejpravděpodobnější bylo v daném případě poškození rozvodu vody, plynu, zemnění; reálné bylo i poškození okapů, van, plynových kotlů, aj.,
– lanové tažné zařízení nebylo jediným bodem (případně nikoliv jediným) pro šíření bludných proudů; existovaly i další faktory, ovlivňující „rozptyl“ bludných proudů; např. to mohl být i technický stav zařízení, zejména kolejového svršku, umístění kovových částí v prostoru, ap.; potom nebylo možné zcela vyloučit, že se bludné proudy mohly šířit i jinými cestami,
– společné napájení vlečky a distribuční sítě obce a zejména propojení středního vodiče distribuční sítě s ochranným vodičem mělo zásadní vliv na šíření bludných proudů a ovlivňovalo i směr (orientaci) toku bludných proudů.

Poděkování:
Tento příspěvek byl zpracován v Centru pro výzkum a využití obnovitelné energie (CVVOZE). Autor děkuje za finanční podporu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky v rámci institucionální podpory a Technologické agentury České republiky v rámci programu Národní centra kompetencí (projekt č. TN01000071 Národní kompetenční centrum mechatroniky a inteligentních technologií pro Strojírenství).

Seznam použitých symbolů a značek
I – proud (A),
T – čas (s),
LPZ – Lanové potahovací zařízení,
ČD – České dráhy,
IS – izolovaný styk.

Literatura
[1] VESELKA, F.: Podkladový materiál k hodnocení. Brno 2019.
[2] BENEŠ, A., DRASTÍK, F., HOSTINSKÝ, Z., KOUTSKÝ, J., NĚMEC, J.: Nauka o kovech. SNTL Praha, Nakladateľstvo ALFA, n. p., Bratislava 1972.
[3] K problematice základových zemničů. ELEKTRO č.2 1996.
[4] KUTÁČ, J., ROUS, Z., HLADKÝ, Z.: Hromosvody a zemniče (druhé – přepracované vydání). IN – EL Praha, 2008.
[5] VNUK, J.: O korozi kovových předmětů uložených v zemi. Elektrotechnik č.6, 1978.
[6] KOUTNÝ, J.: Protikorozní ochrana pólových vývodů akumulátorových baterií. Elektrotechnik č. 6, 1978.
[7] MATOUŠ, J.: Protokol o měření. TÚČD Praha 22. 4. 2008.
[8] SPAN, H., FASSLER, K.: Kontaktkorosion, Grundlagen,- Auswirkung – Verhuttung. Werkstoffe und Korosion 1966, Heft 4.
[9] VYKOUPIL, L.: Kolejnice jako zpětný vodič proudu. Zápis přednášky u příležitosti konání III. Výstavky ZN, DPMB, Brno 2011.
[10] ČSN 03 8371 Protikorozní ochrana v zemi uložených sdělovacích kabelů s olověnými, hliníkovými a ocelovými obaly.
[11] ČSN 33 3516 Předpisy pro trakční vedení tramvajových a trolejbusových drah.
[12] ČSN EN 50122-2 Drážní zařízení – Pevná trakční zařízení – Část 2: Ochranná opatření proti účinkům bludných proudů, způsobených DC trakčními proudovými soustavami.
[13] VELETA, P.: Koroze úložných zařízení vlivem bludných proudů od stejnosměrné trakce. Elektrotechnik č. 3, 1991
[14] HABERLE, G. a kol.: Elektrotechnické tabulky pro školu i praxi. Elektrochemie, Vlastnosti prvků a látek, Primární články. EUROPA – SOBOTÁLES cz., Praha 2006.
[15] BENEŠ a kol.: Kovové materiály. Vlastnosti a použití. Technický průvodce 47, SNTL Praha 1968.

Obrázky:
Obr. 15. Šroub přivařený ke kolejnici (1), který sloužil k propojení ochranného pospojování v pohledu z boku a shora
Obr. 16. Izolované propojení kolejnice vlečky s kolejnicí na hlavní trati
Obr. 17. Odpojené vodiče od středu stykového transformátoru
Obr. 18. Trolejové vedení v prostoru vlečky (a), Detailní pohled (b)
Obr. 19. Znázornění pospojování na přívodním sloupu
Obr. 20. Stanoviště oddělovacího transformátoru
Obr. 21. Uzemnění stanoviště oddělovacího transformátoru (a), jisticí a regulační komponenty transformátoru (b), silový rozvod elektrické energie (c), detail ochranného pospojování ve vnitřním prostoru transformátoru (d)
Obr. 22. Poškozená okapová rýna na budově Obecního úřadu v obci, přesně v místech připojení ke svodu hromosvodu (a, b), provedení a zaústění okapů do kanalizace (c, d)
Obr. 23. Provedení svodu (1) a jeho spojení se zemničem hromosvodu (2) na hospodářské budově (a), svarové spojení armatury v betonových základech stavby se zemničem (b), svarové propojení zemniče a ocelové konstrukce stavby (c), znázornění technického provedení stavby (d)
Obr. 24. Propojení kovové střechy se svodem hromosvodu