Источники гальванического типа

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

В МОРСКОЙ СРЕДЕ

Применительно к объектам морской техники постоянное электрическое поле может быть обусловлено:

‒ внешними источниками постоянного тока, цепи которых замкнуты через электроды на морскую среду;

‒ гальваническим взаимодействием разнородных омываемых металлических поверхностей;

‒ индукционными явлениями.

Внешние источники

К внешним источникам, цепи которых замкнуты на морскую среду, относятся:

‒ морские униполярные передачи постоянного тока;

‒ электродные тралы и искатели;

‒ генераторные антенны систем морской электроразведки;

‒ орудия электролова и рыбозаградительные системы;

‒ аварийные режимы оборудования постоянного тока.

За последние 20 лет в мире (в основном в Балтийском море) построено несколько десятков морских униполярных передач постоянного тока, одним из проводников в которых является морская среда. В России эксплуатируется самая первая в мире сухопутная униполярная передача постоянного тока Волгоград - Донбасс. Преимуществами передач постоянного тока, по сравнению с передачами переменного тока, являются меньшие потери, экономия кабеля и практически независимая работа различных энергосистем, между которыми функционируют вставки постоянного тока. Величина тока таких передач доходит до 5000 А. Основным элементом таких передач (помимо преобразователей переменного тока в постоянный и наоборот) являются морские электроды, конструкция которых определяет эффективность работы передачи в целом.

Электродные тралы применяются для траления неконтактных морских мин и используются флотами всех стран, имеющих морские и/или вертолётные тральщики. Величина тока в тральных импульсах - до 5000 А.

Конструкции и параметры генераторных систем морской электроразведки близки к электродным тралам.

Постоянное электрическое поле используют для управления поведением рыб вблизи орудий лова, а в рыбозаградительных системах — для направления рыб в рыбоподъёмники на речных гидростанциях. Величина тока в таких системах — от нескольких десятков до сотен ампер.

Аварийные режимы электрооборудования на судах и морских объектах возникают из-за короткого замыкания на омываемые металлические поверхности.

Характерной особенностью источников данного типа является то, что их интенсивность (полный ток) полностью определяется (при заданном напряжении источника) сопротивлением растеканию между электродами и рассчитывается из закона Ома. Поэтому основным параметром для нахождения интенсивности источников данного типа, является сопротивление растеканию электродов (раздел 4).

Источники гальванического типа

При погружении любого металлического тела в электролит (морскую воду) на его поверхности образуется двойной электрический слой. Его возникновение обусловлено силами абсорбции (взаимного притяжения разноимённо заряженных частиц на границе раздела сред). В металле имеются свободные электроны, а в морской среде положительно заряженные ионы растворённых в ней солей. Упрощённой моделью такого двойного слоя является плоский конденсатор, одна обкладка которого, заряженная отрицательно, расположена на границе металл-морская вода со стороны металла (её потенциал обозначаетсяU_M), а вторая, заряженная положительно (U_s), — со стороны воды (рис.2.1).

Рис.2.1. Двойной электрический слой

Разность потенциалов между обкладками двойного слоя (при отсутствии тока через границу раздела металл-вода) называется стационарным электрохимическим потенциалом φ (φ = U_M ‒ U_S при j = 0). Его величина зависит как от типа металла (в разных металлах у ядер различное количество свободных электронов), так и от типа электролита (различаются количеством и типом растворённых в них солей).

Двойной слой обладает не только ЭДС, но и внутренним сопротивлением. Поэтому при протекании тока разность потенциалов U_M ‒ U_S φ и отличается от стационарного потенциала за счёт падения напряжения на поверхностном сопротивлении двойного слоя, которое называется удельным поляризационным сопротивлением (Ь) и имеет размерность Ом м². Удельное поляризационное сопротивление является нелинейным, так как его величина зависит не только от направления, но и от величины плотности тока. Если выделить элементарную поверхность dS, то для неё участок двойного слоя можно представить эквивалентной электрической схемой, показанной на рис. 2.2 [2].

Рис.2.2. Эквивалентная электрическая схема замещения

Элемента двойного слоя

Падением напряжения на сопротивлении b называется перенапряжение двойного электрического слоя η, а вольт-амперная характеристика двойного слоя — удельной поляризационной кривой металла.

Общий вид поляризационной кривой показан на рис. 2.3.

Рис.2.3. Типичная поляризационная кривая металла

Обычно поляризационные кривые приводятся в шкале модуля плотности тока и (рис.2.4).

Рис.2.4. Поляризационная кривая металла

При фиксированном значении плотности тока отношение перенапряжения к j₀ определяет удельную анодную и катодную поляризуемости (Ом м²):

или из геометрии поляризационных кривых по формулам:

(2.1)

(2.2)

где и — масштабы осей потенциала и плотности тока, соответственно.

Для приближённых расчётов используются линеаризованные поляризационные кривые, при этом удельные поляризационные сопротивления будут постоянными величинами.

Значения стационарных потенциалов некоторых металлов и сплавов в морской воде, а также величины осреднённых значений удельных поляризуемостей приведены в табл. 2.1.

При допущении о постоянстве плотности тока на поверхности электродаS удельные поляризационные кривые можно перестроить в кривые полной поляризации электрода путём изменения масштаба по оси ординат вS раз (рис. 2.5).

Рис.2.5. Кривые полной поляризации

При этом полные поляризационные кривые будут иметь более пологий вид, чем исходные кривые удельной поляризуемости металла, и их линеаризация является более обоснованной.

При фиксированном значении полного тока электрода I₀ определяются полная анодная и катодная поляризуемости по формулам

(2.3)

(2.4)

где — масштаб оси тока.

Таблица 2.1

Осреднённые электрохимические характеристики [2]

Металл (сплав)	Стационарный потенциал, В	Удельное поляризационное сопротивление, Ом м²
анодное	катодное
Корпусные стали:
низколегированные
(АК, 09Г2, 10Г2С1Д)	- 0,35	0-0,05	0,3
нержавеющие стали (ЮЗ)	- 0,4	0-0,05	0,4
(0Х17Н7Ю, Х18Н9Т)	0,1	1-5	0,6
Алюминиевые сплавы
(АМг61 ,Амг5В, Амгб)	- 0,6		0,25
Титановые сплавы	0,2
Протекторные сплавы:
(цинковые и алюминиевые)	- (0,75-0,8)
(ЦП1, ЦП2, АП1-АП4)
магниевые (МП1)	-1,2
Медные сплавы:
латуни (ЛМцЖ55-3-2,	- 0,05	0-0,01	0,1
ЛАМцЖ67-5-2-2)
бронзы
(АЖН9-4-4, АЖМц10-3-1-5)		0-0,01	0,1
МЗС, МНЖ5-1	0,05	0-0,01	0,1

Нетрудно видеть, что с удельными поляризуемостями металла полные поляризационные сопротивления (Ом) связаны соотношениями

Поляризационные кривые покрытых металлов близки к линейным. Удельное переходное сопротивление и полное переходное сопротивление электрода (R_n = ρ_n/S) для практических расчётов можно считать линейными и не зависящими от направления тока на поверхности электрода.

Рис.2.6. Эквивалентная электрическая схема двойного слоя для двух металлов

Используя эквивалентную электрическую модель элемента поверхности двойного электрического слоя (см. рис. 2.2), рассмотрим более подробно, что происходит с потенциалом на поверхности обкладок двойного слоя (U_M и U_S) при протекании тока между двумя пластинчатыми электродами, погружёнными в морскую среду (рис. 2.6).

Ключ К разомкнут. Тока между электродами нет. Поскольку внутренняя обкладка двойного слоя принадлежит металлу, который является эквипотенциальным, то

U_M₁ = const; U_M₂ = const.

Со стороны внешней среды U_SI = const; U_S₂ = const, так как они отличаются отU_M₁ иU_M₂ на величину стационарного потенциала φ₁и φ₂соответственно.

Ключ К замкнут. Если φ₁= φ₂, то тока между электродами нет и потенциалы будут те же, что и ранее.

Если φ₁ φ₂, то между электродами будет протекать постоянный ток. При этом

U_M₁ = const; U_M₂ = const,

так как стекающий с поверхности металла ток не нарушает эквипотенциальноcти поверхности, принадлежащей металлу.

Потенциал на внешней обкладке двойного слоя будет отличаться от потенциала на внутренней не только величиной стационарного потенциала, но и падением напряжения на поляризационном сопротивлении. Так как в общем случае распределение плотности тока на поверхности электродов неравномерно (исключением для уединённого тела является только сфера), то

U_S₁ = const; U_S₂ = const.

Таким образом, если два электрода, погружённые в морскую воду, соединить между собой (по внутренней цепи), то при условии, что металлы различны (φ₁ φ₂), возникнет постоянный электрический ток (рис. 2.7).

Рис.2.7 Гальванический элемент

Участок цепи постоянного тока по морской воде называется внутренним участком цепи и характеризуется ионной проводимостью, так как носителями заряда в морской среде являются ионы. Участок цепи с электронной проводимостью называется внешним.

Электрод, с которого стекает ток во внутренней цепи, называется анодом, а электрод, к которому ток притекает — катодом. Ток в такой цепи не может протекать бесконечно долго, так как помимо физических процессов при протекании тока в электролитах происходят электрохимические реакции, результатом которых является растворение анода.

Скорость растворения металла в анодном режиме определяется из законаФарадея и для поверхностного растворения имеет вид (мм/год):

П = П_Эj_A, (2.5)

где j_A — анодная плотность тока, А/м²;

П_э — электрохимический эквивалент металла, мм м²/(А-год).

Для сплавов (2.5) принимает вид (мм/год)

(2.6)

где П_Э_i — электрохимический эквивалент i-го компонента сплава;

G_i — весовой вклад i-го компонента сплава, %;

N – количество основных компонентов сплава, составляющих более 1 % от массы сплава.

Для определения потери массы металла (при допущении о равномерности распределения анодного тока на поверхности электрода j_A = I_A/S) используется соотношение (кг) вида

G = g_ЭI_A t, (2.7)

где I_А — суммарный анодный ток, A;

g_Э — массовый электрохимический эквивалент металла, кг/(А год);

t — время, год.

Массовый и поверхностный электрохимические эквиваленты растворения связаны между собой соотношением

g_э = 10^-3 d П_э,

где d — плотность металла, кг/м³.

Значения электрохимических эквивалентов для ряда металлов в морской воде даны в табл. 2.2 [2].

Таблица 2.2

Электрохимические эквиваленты металлов [2]

Металл	AI	Fe	Си	Zn	Ti	Pb	Mg	R
	1,47	1,14	1,16	1,47	0,87	3,0	2,29	2 10^-⁶
		9,2			3,9			4 10^-⁵

Лакокрасочные покрытия

Большинство поверхностей судов и другого морского оборудования окрашивается. Стандартная схема окраски предусматривает 2-3 слоя грунта и 3-5 слоёв краски. Электрические свойства лакокрасочных покрытий характеризуются удельным поверхностным сопротивлением ρ_кр, (Ом м²), величина которого для вновь окрашенных поверхностей достигает 10⁶-10⁸, Ом м² Однако в силу пористой структуры лакокрасочных покрытий и агрессивности окружающей среды сопротивление лакокрасочного покрытия достаточно быстро снижается и через 6-8 месяцев становится одного порядка с удельным поляризационным сопротивлением металла. Обобщённая зависимость сопротивления лакокрасочных покрытий от времени эксплуатации представлена на рис.2.8 [3].

Рис.2.8. Обобщенная зависимость сопротивления краски от времени

При наличии покрытий поверхностное переходное сопротивление металл-вода близко к линейному. Кроме того, чем больше поверхностное сопротивление, тем более равномерным является распределение плотности тока на поверхности электрода.

Рис.2.9. Распределение плотности тока по поверхности дискового электрода

На рис.2.9 представлена зависимость распределения плотности тока на поверхности уединенного электрода в форме диска для различных значений поверхностного сопротивления.

При наличии покрытия в эквивалентной электрической схеме, показанной на рис. 2.2, удельная поляризуемость b заменяется на удельное переходное сопротивление ρ_п, учитывающее как поляризацию металла, так и наличие покрытия (рис. 2.10) [3].

Рис.2.10. Эквивалентная электрическая схема

двойного слоя электрода с учётом краски

Для приближённых расчётов полное переходное сопротивление можно определить по формуле