Jak wykonać pomiary prądów błądzących

Jak wykonać pomiary prądów błądzących

Jak wykonać pomiary prądów błądzących

Ochrona przed skutkami działania prądów błądzących jest dość kosztowna. Dlatego przed budową stalowej instalacji podziemnej należy sprawdzić obecność lub brak prądów błądzących w danym terenie.

Prądy błądzące są przyczyną przyspieszonej korozji konstrukcji stalowych posadowionych w gruncie. Szczególnie dotyczy to rurociągów wodociągowych, kanalizacyjnych, ciepłowniczych, gazowych oraz zbiorników na stacjach paliw. W przypadku występowania prądów błądzących w danym terenie należy stosować ochronę instalacji stalowych w ziemi za pomocą ochrony katodowej, co pociąga za sobą dodatkowe koszty. W związku z tym w przypadku projektowania budowy stalowej instalacji podziemnej należy wykonać pomiary dotyczące obecności prądów błądzących.

Prąd błądzący – zjawisko przeważnie niekontrolowanego przepływu prądu elektrycznego między dwoma lub więcej punktami substancji przewodzących prąd (metale, niemetale, elektrolity). Prąd ten jest najczęściej niepożądanym zjawiskiem towarzyszącym przesyłaniu energii elektrycznej (np. prądy błądzące w trakcji szynowej lub prądy w karoseriach samochodów).

Prądy błądzące w trakcji szynowej

Prąd błądzący w trakcji szynowej to prąd trakcyjny upływający z sieci trakcyjnej przez ziemię, którego drogę trudno przewidzieć.

Pojazd trakcyjny pobiera prąd z podstacji poprzez górną sieć trakcyjną. Zamknięcie obwodu i powrót prądu do podstacji następuje przez tory kolejowe i kable powrotne. Pomimo tego, że rezystancja zarówno sieci powrotnej, jak i kabli powrotnych ma niewielką wartość, to z uwagi na duże wartości prądu powrotnego, występują spadki napięcia o znacznych wartościach. Wobec tego wytwarza się różnica potencjałów pomiędzy poszczególnymi punktami toru a szyną minusową podstacji. Mimo że elektryfikowane tory spoczywają na podsypce z tłucznia, a podkłady są oddzielone od szyn za pomocą wkładek z gumy lub tworzywa, izolacja od gruntu nigdy nie jest idealna. Podkłady, tłuczeń i sąsiedztwo toru są zawsze zabrudzone opiłkami pochodzącymi ze ścierania klocków hamulcowych, kół, a także szyn. Opiłki te, powiązane wszelkiego rodzaju zabrudzeniami znacznie zmniejszają rezystancję przejścia tor – ziemia. Gdy nałożą się na to jeszcze niesprzyjające warunki atmosferyczne, a zwłaszcza brudny śnieg, to rezystancja między siecią powrotną a podłożem jest stosunkowo niewielka. Nie jest idealna także izolacja pomiędzy szyną minusową podstacji a ziemią, dlatego dla prądu powrotnego powstają drogi przepływu równoległe do obwodu powrotnego.

Prąd płynący ziemią zgodnie z II prawem Kirchhoffa rozgałęzia się. Część powraca do podstacji przez ziemię. Część tę nazywa się prądami błądzącymi, gdyż „błądzą” one nieznanymi bliżej i niedającymi się przewidzieć drogami. Przepływ prądów błądzących ułatwiają wszelkiego rodzaju metalowe rury, kable i inne tego rodzaju obiekty, tzw. uzbrojenie terenu.

Prądy błądzące, wpływając do metalowego urządzenia podziemnego (rury, metalowego płaszcza kabla itp.) nie powodują szkód, natomiast w miejscu, w którym prąd błądzący opuszcza owo urządzenie, następuje korozja, mogąca doprowadzić do znacznych uszkodzeń. Problem ten nie jest istotny w przypadku szyn z powodu znacznej ich grubości i zmian miejsca upływu prądu wskutek drgań spowodowanych użytkowaniem. Problem ten jest istotny w przypadku rurociągów ciepłowniczych i wodociągowych oraz zbiorników na stacjach paliwowych.

Zapobieganie korozji spowodowanej prądami błądzącymi w trakcji szynowej

W celu ograniczenia zjawiska prądów błądzących spowodowanych trakcją szynową stosuje się izolację szyn od ziemi oraz metale o jak najmniejszej rezystancji (dzięki czemu spadki napięcia są mniejsze, a co za tym idzie, mniejsze są wartości prądu błądzącego).

Metodą zabezpieczania przed korozją, także spowodowaną prądami błądzącymi, jest ochrona katodowa obiektów. Natomiast stosowanie izolacji elektrycznej obiektów podziemnych w celu ich ochrony przed prądami błądzącymi, np. poprzez owijanie odpowiednimi taśmami smołowanymi, daje efekty odwrotne od spodziewanych.

Ponieważ ochrona katodowa obiektów jest metodą dosyć kosztowną, o konieczności stosowania tej ochrony należy upewnić się przez sprawdzenie obecności lub braku prądów błądzących w danym terenie przed rozpoczęciem inwestycji.

Dlatego obecnie na stacjach paliw przed rozpoczęciem budowy lub wymiany zbiorników paliwa wymagane jest wykonanie sprawdzenia obecności prądów błądzących.

Metoda sprawdzania obecności prądów błądzących – przykład

Praktyczna metoda sprawdzania obecności prądów błądzących w danym terenie polega na pomiarze różnicy potencjałów pomiędzy dwoma punktami oddalonymi o 50 do 100 metrów, w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach, w których pogrążano w gruncie siarczano-miedziane elektrody Cu/CuSO4.

Sprawdzanie obecności prądów błądzących jest ostatnio najczęściej stosowane na terenach budowanych i modernizowanych stacji paliw.

Podczas wykonywania przykładowych pomiarów na budowanej stacji paliw różnicę potencjałów sprawdzano wielozakresowym woltomierzem elektronicznym typu Uni-11e o zakresach pomiarowych napięcia stałego 30 mV, 100 mV do 1000 V i rezystancji wejściowej 10 MΩ na każdym zakresie pomiarowym. Wskazania odczytywano co 10 s przez 20 minut dla każdego kierunku rozmieszczenia elektrod. Jeżeli różnica potencjałów nie zmieniała znaku, pomiar świadczył, iż w danym terenie brak obecności prądów błądzących. Zmiana biegunowości różnicy mierzonych potencjałów świadczyła o obecności prądów błądzących i w takim przypadku należy stosować ochronę katodową dla instalowanego zbiornika paliwa.

Operacja sprawdzania obecności prądów błądzących na stacjach paliw wymaga również wykonania pomiaru potencjału konstrukcji stalowej w gruncie względem elektrody odniesienia Cu/CuSO4 oraz pomiaru rezystywności i kwasowości pH gruntu.

Pomiar potencjału konstrukcji w gruncie wykonywano przez pomiar potencjału bednarki połączonej ze zbiornikami umieszczonymi bezpośrednio w gruncie, względem elektrody odniesienia Cu/CuSO4. Jej ujemny potencjał powinien wynosić około - 0,85 V.

Pomiar rezystywności gruntu wykonywano czteroelektrodową metodą Wennera.

W praktyce pomiar rezystywności gruntu wykonano przy użyciu induktorowego miernika rezystancji uziemień typu IMU, metodą czteroelektrodową. Można w tym celu wykorzystać również mierniki typu MRU. Elektrody pomiarowe zagłębiano w grunt nad zasypanymi zbiornikami paliwa w odległości około 6 m.

Rezystywność gruntu była obliczona ze wzoru: r = 2 p a R [Ωm] [Ωm].

Gdzie:

a – odstęp elektrod  pomiarowych, natomiast R – wartość odczytana z miernika IMU.

Rezystywność o wartości:

> 100 Ωm wskazuje na niską agresywność korozyjną gruntu,
20 – 100 Ωm < wskazuje na średnią agresywność korozyjną gruntu,

10 – 20 Ωm wskazuje na wysoką agresywność korozyjną gruntu,

< 10 Ωm wskazuje na bardzo wysoką agresywność korozyjną gruntu.

Na agresywność korozyjną gruntu ma również wpływ kwasowość pH gruntu.

Sprawdzenie kwasowości wykonywano przy użyciu wskaźnika kwasowości.

Kwasowość gruntu pH o wartości 7–7,9 wskazuje na niską agresywność korozyjną gruntu,

kwasowość gruntu pH o wartości 6–6,9 wskazuje na średnią agresywność korozyjną gruntu,

kwasowość gruntu pH o wartości 5–5,9 wskazuje na wysoką agresywność korozyjną gruntu,

kwasowość gruntu pH o wartości < 5 i >8  wskazuje na bardzo wysoką agresywność korozyjną gruntu.

Z wykonanych pomiarów należy sporządzić protokół zawierający uzyskane wyniki pomiarów, a protokół należy zakończyć wnioskiem końcowym.

Protokół z przykładowych pomiarów

Sprawdzenie obecności prądów błądzących w ziemi wykazało, że na terenie  badanej stacji benzynowej w …, przy ul…., różnica potencjałów pomiędzy dwoma odległymi o około 50 i 70 m punktami rozmieszczonymi w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach zmierzona przy użyciu siarczano-miedzianych elektrod Cu/CuSO4 mało się zmieniała i wahała się maksymalnie o 3 i o 13 mV, bez zmiany biegunowości, co świadczy o braku oddziaływania prądów błądzących.

Zmierzony potencjał spoczynkowy bednarki połączonej z zakopanymi w ziemi zbiornikami jest nieco wyższy od minimalnego potencjału spoczynkowego – 0,85 V, wymaganego przez normy PN.

Pomiar rezystywności gruntu wykazał średnią agresywność korozyjną gruntu, którym zasypane są zbiorniki.

wynik pozytywny

Wniosek końcowy

Badania wykonane na terenie stacji benzynowej w …, przy ul…., wykazały brak oddziaływania prądów błądzących, średnią agresywność korozyjną gruntu i potencjał zakopanego w ziemi zbiornika nieco wyższy od minimalnego potencjału spoczynkowego wymaganego przez normy PN.

Powyższe powoduje brak zasadności stosowania ochrony katodowej elementów metalowych, umieszczonych w gruncie stacji paliw w ….

Autor: mgr inż. Fryderyk Łasak Zakład Badań Elektrycznych „El-Fred”, specjalista do spraw pomiarów
Słowa kluczowe:
prądy błądzące