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 обозначается U_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 электрода S удельные поляризационные кривые можно пере­строить в кривые полной поляризации электрода путём измене­ния масштаба по оси ординат в S 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 I ₀ 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 от U_M1 и U_M2 на величину стационарного потен­циала φ₁ и φ₂ соответственно.

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_Э j_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_Эi — 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_Э I_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