Projektování a realizace staveb z hlediska bludných proudů

Úvod

Stanovená pravidla prostorové koordinace však neřeší vzájemnou interakci uvedených kovových a železobetonových zařízení z hlediska odolnosti proti agresivitě horninového prostředí a proti působení bludných proudů ze stejnosměrně elektrizované kolejové dopravy. Není tak splněna zásada ochrany stavby před negativními účinky vnějšího prostředí, v daném případě ochrana před bludnými proudy. Na problematiku koroze a ochrany úložných konstrukcí se proto v článku zaměříme podrobněji.

Koroze agresivitou horninového prostředí a způsoby ochrany ocelových konstrukci

Příčinou vzniku koroze kovů je jejich termodynamická nestabilita při styku s korozním prostředím (elektrolytem). U železového betonu, jako konstrukce kompozitního charakteru, musí dojít nejdříve k porušení betonu, respektive jeho krycí vrstvy, aby mohl začít korozní proces výztuže.

Protikorozní ochrana se zaměřuje na prevenci koroze a snižování ztrát způsobených korozí. Ke znehodnocování kovových materiálů fyzikálně-chemickým působením prostředí dochází především elektrochemickými reakcemi. Základní příčinou korozního procesu je tendence přírody zvýšit neuspořádanost soustavy (dosáhnout co nejvyšší entropie), tj. navrátit kovy do jejich původního stavu v přírodě. Podle způsobu provádění lze protikorozní techniku rozdělit na:
■ použití korozně odolných materiálů zvolených podle korozního prostředí (např. legované oceli, neželezné kovy – titan, plasty, pryžové směsi);
■ ochranné povlaky a jejich kombinaci (izolace na bázi organických povlaků, anorganické povlaky, kovové povlaky, nátěry);
■ konstrukční úpravy (např. zesílení stěn kovových potrubí o korozní přídavky);
■ úprava korozního prostředí (např. obložení potrubí v rýze pískem);
■ elektrochemické ochrany (anodická ochrana v chemickém průmyslu, katodická ochrana u elektricky spojitých kovových zařízení v půdě nebo ve vodách).

Koroze bludnými proudy, zdroje v ČR a jejich šíření

Bludný proud je elektrický proud unikající z elektrických zařízení nedostatečně izolovaných od země nebo používajících horninové prostředí jako zpětného vodiče. Bludný proud využívá dále liniových zařízení jako zpětného vodiče, přičemž koroze nastává v místech (např. na podzemním potrubí), kde elektrický proud přechází do země a vrací se ke zdroji (např. k měnírně – napájecí stanici). Rychlost přecházení kovových iontů v anodických místech do elektrolytu (půdy) je dán Faradayovým zákonem (u železa je to 9,2 kg·A^-1·a^-1). Tento vztah platí pro stejnosměrný bludný proud. Pro střídavé bludné proudy jsou korozní ztráty podstatně nižší (pro 50 Hz je to 100× méně).

V současnosti se napájecí systémy kolejových drah ustálily na obvodu tvořeném trolejovým nadzemním vedením (v menším měřítku izolovanou kolejnicí) přívodu elektrického proudu z trakčních napájecích stanic do hnacích vozidel a jeho odvodu jízdními kolejnicemi zpět. Toto zásadní uspořádání (i když s menšími modifikacemi především u vysokorychlostních tratí) v současnosti používají prakticky všechny elektrické dráhy.

Jmenovitá napětí stejnosměrných soustav jsou:
■ 250 V pro důlní dráhy hlubinných dolů;
■ 600 V pro pouliční tramvajové dráhy;
■ 750 V pro podzemní dráhy (metro);
■ 1500 V pro vedlejší železniční tratě a pro dráhy povrchových lomů;
■ 3000 V pro hlavní železniční tratě.

U železnic je kladný potenciál stejnosměrného proudu přiveden na trolejový drát a záporný potenciál na kolej. Přes trolej, sběrač a lokomotivu se stejnosměrný okruh  uzavírá  a  prostřednictvím  kolejí se vrací zpět do napájecí stanice. Avšak izolace kolejnic od půdy je nedokonalá, neboť kolejnice jsou uloženy na pražcích a štěrkovém loži. V tomto případě je ovšem potřebné připomenout, že tato nedokonalost je zároveň nutností, neboť zamezuje vytvoření (průtokem proudu kolejnicí) příliš velkého spádu napětí mezi kolejnicí a zemí, což by mohlo být pro uživatele (cestující) nebezpečné. Část zpětného proudu vniká do země a dosahuje poměrně velkých hodnot.

Půda vytváří kolejím bočník, kterým teče proud daný Kirchhoffovými zákony. Jestliže jsou v zemi uloženy rozměrnější vodivé předměty, mohou vzhledem ke své dobré podélné elektrické vodivosti shromažďovat bludné proudy z okolí a vést je do značně vzdálených míst, i když nejsou přímo spojeny s kolejemi. Těmito elektricky vodivými předměty mohou být kromě kovových potrubí a kovových plášťů kabelů koleje u neelektrizovaných tratí, galvanicky propojené uzemňovací soustavy v zastavěných oblastech, železobetonové tunely, kolektory, ale také souvislé zdroje podzemní vody a vodní toky. Tyto vodivé předměty spolu s kolejemi vytvářejí celé sítě, jež se navzájem kříží, a tvoří velký počet spojení mezi sítěmi a zemí. Elektrický proud, který se má vracet do měnírny kolejemi, se vrací kolejemi, půdou      a podzemním vedením. Na jeho cestě k měnírně může vzniknout velké množství katodických a hlavně anodických oblastí.

Stejnosměrné napájení může být realizováno dvěma způsoby. První způsob, uvedený výše a nejvíce rozšířený, má na troleji kladné napětí (takto jsou napájeny železnice a tramvaje v Praze). Druhý způsob má na troleji záporné napětí (jedná se o městskou dopravu např. v Ostravě, Brně aj.). U tohoto způsobu napájení, kdy kolej má kladné napětí, je anodické pásmo proměnlivé podle pohybu elektrické lokomotivy. Největší hodnota anodického potenciálu bude tam, kde se právě nachází elektrická lokomotiva.

Česká republika patří mezi země s nejvyšší hustotou železničních tratí, z nichž velká část je elektrifikována z důvodu zvýšení propustnosti tratí.

První trať elektrifikovaná stejnosměrným systémem 3 kV (Praha – Česká Třebová) byla dána do provozu v roce 1955. Tímto systémem pokračovala elektrifikace železnic nadále, a tak mají v současné době ČD v provozu 1621 km stejnosměrných tratí 3 kV. S rozvojem výkonové elektroniky a tlakem průmyslu přistoupily ČD začátkem šedesátých let 20. století k zahájení elektrifikace trakčním proudovým systémem 25 kV, 50 Hz. Tím je v současnosti elektrifikováno 1086 km tratí.

Složité geologické, geochemické a hydrogeologické poměry v ČR, historicky vzniklá technická infrastruktura, její často neznámá trasa, hloubka  uložení  a  technické  provedení  v  zastavěných  oblastech   i v extravilánu, bezpečnostní hlediska a další faktory vedou k tomu, že protikorozní ochrana podzemních kovových úložných zařízení, především ocelového potrubí, je v městských lokalitách a v potrubních koridorech komplikovaná. Korozní situaci dále zhoršují bludné proudy ze stejnosměrně elektrizované městské dopravy (tramvají).

Úložná zařízení v zastavěných oblastech a potrubí v koridorech mají různé elektrické charakteristiky a vzájemné prostorové uspořádání (souběhy, křížení). Galvanické propojení přes měřicí a propojovací objekty není mezi příslušnými provozovateli zařízení v řadě případů koordinováno, není dořešena otázka vhodnosti použití izolačních spojů v daných podmínkách. Existující automaticky řízené usměrňovače stanic katodické ochrany (AŘU SKAO) nejsou provozovány podle jednotné koncepce, která by byla pro dané korozní poměry optimální; totéž se týká elektrických polarizovaných drenáží (EPD) a saturáží (ES). Tyto skutečnosti nepřímo ovlivňuji i korozní situaci vodovodních potrubí z tvárné litiny vedené hlavně v ulicích měst.

Jednotliví provozovatelé zařízení katodické ochrany nemohou rutinními postupy posoudit ochranný efekt komplexních systémů protikorozní ochrany a učinit nápravná opatření. Bylo by účelné používat adekvátní nestandardní měřicí techniku a inspekční metody, čemuž brání nedostatek kvalifikovaných pracovníků – korozních techniků prakticky ve všech odvětvích, která provozují dálkové i místní potrubní sítě. Přitom podle celosvětově přijatého názoru dobrá práce korozního technika závisí z 25 % na teoretických znalostech, z 50 % na praxi a z 25 % na štěstí. Druhé a rozhodující hledisko mohou splnit pouze pracovníci, kteří dlouhá léta zajišťují provoz a údržbu zařízení se znalostí místních specifik. To se týká i pracovníků, kteří mají na starosti provoz vodovodů.

Týká se to lokalit, kde se vyskytují bludné proudy z provozu železnic, ale i z provozu tramvají např. v Plzni, v Mostě, Litvínově, v Liberci (Jablonci nad Nisou), v Táboře (Bechyni), v Olomouci, Ostravě, Brně, šíření zemnicími lany vedení VVN.

Absolutně nejhorší korozní situace je na území hl. m.  Prahy  se  třemi zdroji bludných proudů, ale i vlivem agresivity půdy  (navážek). V některých lokalitách (např. na Černém Mostě) je elektrická konduktivita podzemní vody 3000 μS·cm^-1 (tedy jedná se o vodu brakickou). Podzemní vody obsahují sírany a chloridy (např. v místech bohdaleckých břidlic), hydrogenuhličitany apod. Skalní podloží (většinou zdravé břidlice) se vyskytuje v hloubce 10 až 20 m (podél Vltavy a některých potoků je to do 10 m). Pro ilustraci se věnujeme korozní situaci v Praze.

Celý článek naleznete v archivu čísel (č. 04/2020).