Сооружение и эксплуатация кабельных линий высокого напряжения - Электрическая защита от коррозии

На металлических оболочках, броне кабелей низкого давления и стальных трубопроводах линий высокого давления, прокладываемых в земле, в местах повреждения пассивной защиты возникают коррозионные процессы, ведущие к разрушению этих элементов кабеля. Коррозионный процесс представляет собой электрохимический процесс, электродами которого являются различные металлические подземные сооружения, обладающие разными электрохимическими потенциалами, а электролитом — вода с добавлением различных химических веществ, находящихся в грунте.
Коррозионный процесс возникает также в результате протекания блуждающих токов, вызванных повреждением кабелей и аппаратуры пунктов питания электрифицированных железных дорог. Места стекания блуждающих токов образуют так называемые анодные зоны, где под действием электрического тока происходит вынос ионов металла в окружающую среду. Коррозионные повреждения оболочек могут привести к нарушению герметичности оболочек кабелей или трубопроводов, что вызовет потерю масла и необходимость выполнения работ, связанных с устранением течи масла. Несмотря на то что оболочки кабеля, проволоки брони и металлические трубопроводы линий низкого давления имеют определенную пассивную защиту от коррозии, местные коррозионные процессы могут привести к повреждению бронепроволок, а затем и оболочки кабелей. Если повреждение оболочки кабеля может быть обнаружено (по понижению давления масла в кабеле) и в дальнейшем устранено, то повреждение бронепроволок может быть обнаружено только после теплового пробоя кабеля (не обязательно в месте коррозионного повреждения проволок), который обычно наступает в месте с наихудшим отводом тепла от кабеля. Дополнительное тепловыделение происходит из-за существенного возрастания потерь на перемагничивание стальных проволок, когда по ним прекращается циркуляция наведенных токов. В отдельных неблагоприятных случаях наведенный ток составляет до 60 % тока жилы, и его даже частичное снижение может повлечь за собой перегрев кабеля в целом. Опытами во ВНИИКП было установлено, что при отсутствии тока в бронепроволоках длительно допустимая нагрузка на линию во избежание теплового пробоя должна быть снижена на 25—30%. При эксплуатации токи в бронепроволоках на всех проложенных кабелях систематически не измеряются, и, таким образом, местная коррозия может явиться причиной повреждения кабельной линии. Трубопроводы линий высокого давления перед прокладкой в траншею весьма тщательно подготавливаются, что включает очистку (до блеска) наружной поверхности трубы, ее изолирование битумом и стеклохолстом общей толщиной около 10 мм. Нанесение пассивной защиты повышает коррозионную стойкость трубы, однако также не может исключить коррозионного повреждения трубы при нарушениях технологии прокладки или последующей эксплуатации при раскопках грунта вблизи трубопровода для прокладки других подземных сооружений. Во время монтажа линии изолирование стыков труб производится вручную, что также не исключает местных дефектов, и поэтому качество изоляции в местах стыков проверяется повышенным напряжением (30 кВ) при помощи специального прибора, сконструированного СКТБ В КТ Мосэнерго, внешний вид которого приведен на рис. 10.27. Прибор марки ИД-30 представляет собой искровой дефектоскоп. Амплитуда импульсного напряжения, получаемого на конце выносной головки, составляет (35±5)кВ. Частота следования импульсов 50 Гц. Индикация дефекта осуществляется по изменению свечения индикаторной лампы, встроенной в выносную головку, и (или) по наличию видимого и слышимого искрового разряда при приближении головки к дефектному месту. Указанным прибором проверяются все места ремонтов гидроизоляции трубопроводов. Учитывая, что определение мест утечки масла является трудоемким и дорогостоящим мероприятием, в основном из-за отсутствия метода точного определения места утечки масла, в проектах линий обычно предусматривают мероприятия по электрической защите от коррозии, которая обеспечивает поддержание необходимого отрицательного потенциала на оболочках кабелей.

Рис. 10.27. Внешний вид прибора для проверки качества изоляции трубы:
1 — корпус; 2 — соединительный кабель; 3 — провода питания 220 В;
4 — выносная головка; 5 — крышка
Создание защитного потенциала обеспечивает полное прекращение процесса коррозии и, таким образом, гарантирует сохранность металлических деталей линии, находящихся в земле. В табл. 10.3 приведены допустимые пределы изменения коррозионных потенциалов, обеспечивающих прекращение процессов коррозии. Особенностью электрических защит от коррозии, устанавливаемых на линиях 110—500 кВ, является обеспечение свободного протекания по оболочкам кабелей (или трубопроводам) токов однофазного короткого замыкания (от источника до места короткого замыкания).
Таблица 10.3

Как установлено, токи короткого замыкания протекают в основном по оболочкам (или трубопроводам) кабелей.
Таким образом, аппаратура, обеспечивающая поддержание отрицательного потенциала, должна быть устойчивой при протекании токов короткого замыкания, достигающих 30—40 кА. При этом концевые муфты должны устанавливаться на металлоконструкциях с использованием изолирующих прокладок, а маслопроводы, присоединенные к вентилю муфты, должны иметь изолирующую вставку (из фторопласта, текстолита и т. п.). Принципиальные схемы включения катодной защиты приведены на  рис. 10.28 и 10.29. Применяемое устройство катодной защиты, принципиальная схема которого приведена на рис. 10.28, включает в себя резисторы и станции катодной защиты. Обычно станции питаются от внешнего источника при напряжении 220 В. Потребляемая мощность составляет 0,5—0,7 кВт. Постоянный ток 40—60 А создает на резисторе падение напряжения 0,5 В. Сопротивление резистора около 0,01 Ом. Резистор изготовляется или из нержавеющей стали или собирается из отдельных чугунных элементов, применяемых в электрической схеме трамвая. Каждый элемент имеет сечение около 50 мм², и поэтому для обеспечения термической стойкости необходимо общее сечение элементов около 300 мм², что позволяет выдерживать токи до 30 кА в течение 1 с. Конструкция применяемого резистора должна быть проверена на термическую и электродинамическую стойкость к перспективным токам короткого замыкания. Приведенная схема позволяет изменять потенциал сооружения путем изменения тока, проходящего через резистор.
Кабельные линии низкого давления обладают низким входным сопротивлением, зависящим от длины линии, количества заземляющих устройств на линии, качества изоляции элементов, и составляет обычно 0,3—0,4 Ом/км, что вызывает протекание в линию защитного тока  около 5— 10 А. На протяженных линиях низкого давления станции катодной защиты устанавливаются не только у концевых муфт, но также и в промежуточных точках, обычно в стопорных колодцах. В этом случае станции устанавливаются в наземных вентиляционных шахтах  (см. рис. 10.7). Особенностью рассматриваемой схемы является то обстоятельство, что в качестве анодных заземлителей используются заземляющие устройства ПС и стопорных колодцев.

Рис. 10.29. Принципиальная схема катодной защиты кабельной линии низкого давления:
1 — концевая муфта и броня кабеля, изолированные от земли; 2— резистор; 3 — сопротивление заземления подстанции; 4 — катодная станция; 5 — перемычка брони в колодце; 6 — сопротивление заземления колодца; 7 — шина заземления концевых муфт и брони кабеля

Рис. 10.28. Принципиальная схема катодной защиты кабельной линии высокого давления:
1 — концевая муфта, изолированная от земли; 2 — соединительно-разветвительная муфта; 3 — мертвая опора; 4 — соединительная муфта; 5 — стальной изолированный трубопровод; 6 — резистор; 7 — катодная станция; 8 — сопротивление заземляющего устройства; 9 — шины заземления

Учитывая, что защитный ток 1 А за год уносит 9,45 кг стали из анодного заземлителя, следует тщательно регулировать станции катодной защиты, не допуская чрезмерного «минусования» линии. Другой особенностью схемы является ее устойчивая работа в зонах, где обнаружены блуждающие токи. Трубопроводы линий высокого давления защищаются аналогичным образом. Однако более совершенная (против линий низкого давления) пассивная изоляция трубопроводов и отсутствие заземлений соединительных муфт приводят к тому, что защитный ток через изоляцию трубопровода на 1 км линии значительно меньше, чем на линиях низкого давления. Ориентировочно защитный ток может быть определен по номограммам, приведенным на рис. 10.30, либо по ГОСТ 25812—83 (приложение 6).

Рис. 10.30. Номограммы зависимости тока от длины контролируемого участка и диаметра трубопровода

Согласно ГОСТ 25812—83 контроль качества изоляционных покрытий, законченных строительством участков трубопроводов, а также во время последующей эксплуатации производится методом катодной поляризации, которая обеспечивается наложением постоянного тока от генератора (аккумуляторной батареи, станция катодной защиты и т. п.). Принципиальная схема подключения опытной катодной станции и измерительных приборов показана на рис. 10.31. Состояние изоляционного покрытия оценивают как удовлетворительное, если смещение разности потенциалов труба — земля в конце участка, вызванное поляризацией, оказывается не меньше 0,4 В (по абсолютному значению), а ток, вызывающий это смещение, не превосходит значения, определяемого по номограмме, изображенной на рис. 10.30,а. Если смещение разности потенциалов в конце участка меньше 0,4 В или если указанное смещение может быть достигнуто при токе, превышающем допустимое значение, определяемое по номограмме, состояние изоляционного покрытия оценивают как неудовлетворительное.

Рис. 10.31. Принципиальная схема подключения опытной катодной станции и измерительных приборов при испытании изоляционного покрытия катодной поляризацией:

1 — анодное заземление; 2 — шунт; 3 — амперметр; 4 — генератор постоянного тока; 5 — соединительные провода; 6 — место присоединения провода к трубе; 7 — конец трубы; 8—вольтметр М-231 начала трубопровода; 9 — вольтметр конца трубопровода; 10 — медно-сульфатный электрод сравнения (иеполяризующийся электрод); 11— изоляция трубы.

Смещение разности потенциалов труба — земля определяют по формуле
U т,з= U т.з.и— U т,з,е- где U измеренная разность потенциалов труба — земля (после включения катодной поляризации); UT,3,e — естественная разность потенциалов труба — земля (до включения катодной поляризации).
Ток определяют в зависимости от длины трубопровода и его диаметра. Состояние изоляционного покрытия коротких (до 4 км) трубопроводов оценивают по смещению разности потенциалов труба — земля в начале трубопровода и току, определяемому по номограмме, изображенной на рис. 10.30,6. Состояние покрытия короткого участка оценивают как удовлетворительное, если ток не превышает значения, определяемого по номограмме, а смещение разности потенциалов труба — земля будет не меньше (по абсолютному значению) 0,7 В. Испытания проводят в следующем порядке. Измеряют естественную разность потенциалов труба — земля в начале (в точке подключения генератора) и конце участка. При измерениях генератор должен быть отключен; включают генератор постоянного тока, устанавливают требуемый ток (ток определяют по номограммам, см. рис. 10.30), поддерживают его постоянным в течение всего периода испытания; если ни разность потенциалов в точке дренажа, ни ток не изменяются в течение 2 ч, измеряют разность потенциалов труба — земля в конце участка. Все измерения разности потенциалов труба — земля производят относительно медно-сульфатного электрода сравнения. При подготовке кабельной линии к включению следует иметь в виду, что линия должна быть присоединена к заземляющему контуру подстанции. Обычно шина заземления присоединяется к трубопроводу около «мертвой» опоры или около соединительно-разветвительной муфты.
Вследствие того что концевые муфты обычно изолируются от опорных металлоконструкций, во время прохождения тока однофазного короткого замыкания возможно появление на разветвительных трубах и нижних фланцах концевых муфт наведенного напряжения. Поэтому разветвительные трубы и нижние фланцы концевой муфты должны быть надежно изолированы от металлоконструкций во избежание электрического пробоя, который может повлечь за собой прожиг трубы и потерю масла. В последнее время из-за недостаточного контроля за состоянием изоляции кабельных линий осуществляется схема с циркуляцией токов в разветвительных трубах, для чего корпуса концевых муфт присоединяются к шине, идущей к заземлению ПС. В месте присоединения шины к заземлению монтируются резистор и станции катодной защиты. В ряде случаев для создания защитного потенциала может применяться электрический дренаж — устройство, позволяющее отвести блуждающие токи от защищаемого сооружения к источнику этих токов. Источником блуждающих токов обычно являются линии электрифицированных дорог, трамвая, метрополитена, а также городские электрические сети с заземленной нейтралью, но могут быть и станции катодной защиты, установленные на других подземных сооружениях. В этой связи организация совместной защиты нескольких коммуникаций представляется весьма актуальной. Экспериментами в московской кабельной сети было установлено, что кабельные линии на напряжение 110 кВ особой опасности для других подземных коммуникаций не представляют, так как напряжение, появляющееся на оболочках кабелей при их повреждениях, не превышает 70 В. Учитывая, что это напряжение появляется на время до 1 с, можно полагать, что особой опасности оно не представляет. На кабельновоздушных линиях потенциалы оболочек кабелей могут достигать нескольких киловольт, и по этой причине совместные защиты применять не представляется возможным. После окончания монтажа линии и включения электрических защит от коррозии производятся измерения потенциалов оболочек кабелей по отношению к медносульфатному электроду сравнения (рис. 10.32) или стальному стержню. Измерения выполняются при отключенной и включенной защите. Разница потенциалов должна быть не менее 0,3 В. Измерения обязательно выполняются регистрирующими приборами. Если линия находится в зоне влияния блуждающих токов, измерения выполняются в кабельных колодцах (на линиях низкого давления) и в специальных контрольно-измерительных пунктах (рис. 10.33), сооружаемых на линиях высокого давления.

Рис. 10.32. Общий вид медно-сульфатного неполяризующегося электрода:

1 — сосуд из диэлектрика; 2   — пористая диафрагма; 3       — удерживающее кольцо; 4 — стержень из меди; 5 — пробка; 6 — контактный зажим

Данные измерений позволяют проверить достаточность мер, предусмотренных проектом линии, отрегулировать токи в катодных станциях и дренажах. Во время эксплуатации электрических устройств может возникнуть необходимость в установке дополнительных катодных станций в результате изменения общей коррозионной обстановки из-за включения новых электрических устройств защиты от коррозии.

Рис. 10.33. Разрезы контрольно-измерительного пункта