การควบคุมการกัดกร่อนของระบบรถไฟฟ้าใต้ดิน
อารีย์ หวังศุภผล
areeceic@yahoo.com

กระแสจรจัด สาเหตุหลักของการสึกกร่อนในระบบใต้ดิน

   กระแสจรจัด หรือ Stray Current นั้นเกิดจากการที่คนเราใช้ไฟฟ้ากระแสตรงโดยตั้งใจและไม่ตั้งใจทำให้เกิดกระแสไหลผ่านพื้นโลกกลับเข้าสู่วงจร ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการสึกกร่อนของระบบใต้ดิน การสึกกร่อนเกิดจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่เกิดจากปรากฏการณ์ทั้งทางไฟฟ้าและเคมี โดยการสึกกร่อนทางไฟฟ้าเคมีเกิดจากการที่มีแรงดันไฟฟ้าต่างกัน 2 จุด ของตัวนำที่ต่อไฟฟ้าอยู่และจุ่มอยู่ในอิเล็กโตรไลต์ ในสภาวะนี้จะเกิดกระแสไหลจากอาโนดผ่านอิเล็กโตรไลต์ไปยังคาโธด จนครบวงจรไฟฟ้า

ในบริเวณที่เป็นอาโนดหรือ Anodic Area จะมีศักย์ลบมากที่สุด คือจะเป็นจุดที่มีการสึกกร่อนมากที่สุดเนื่องจากการเสียอิเล็กตรอน ในพื้นที่ที่เป็นคาโธดหรือ Cathodic Area จะเกิดการสะสมของไฮโดรเจนหรือไอออนอื่น ๆ ทางไฟฟ้า

Anodic Stray Current 

   เมื่อเปลือกของสายเคเบิลเป็นตะกั่วและทำตัวเป็น Anode จาก Stray Current จะทำให้เกิดการปล่อยประจุ ทำให้เกิดการสึกกร่อนซึ่งประกอบไปด้วย คลอไรด์ ซัลเฟต หรือตะกั่วคาร์บอเนต ซึ่งมีสีขาว บางครั้งหากมีการสึกกร่อนรุนแรงจะมีสีคล้ายช๊อกโกแลตหรือที่เรียกว่า Lead Dioxide

Cathodic Stray Current
    
   เกิดจากสายเคเบิลทำตัวเป็นคาโธด จะเกิดด่างหรือด่างเกลือของ โซเดียม โพแทสเซียม และแคลเซียม ด่างที่เกิดจะเกิดมากสุดบริเวณจุดที่มีความหนาแน่นกระแสสูงสุด ประจุไฮโดรเจนบวกจะทำให้เกิดด่างเพิ่มขึ้น ไฮโดรเจนที่สะสมเพิ่มขึ้นที่เปลือกของสายเคเบิลนี้จะทำให้เกิดตะกั่วและรูปร่างของเปลือกนอกเปลี่ยนไปซึ่งประกอบไปด้วย ชั้นของตะกั่ว ตะกั่วโมนอกไซด์ (Lead Monoxide) คาร์บอเนต และไฮโดรเจนของด่างเกลือจะมองเห็นชั้นเหล่านี้เป็นสีส้มแดงสว่าง ของตะกั่วโมนอกไซด์ สีเหลืองและเขียวอาจเกิดขึ้นได้บางสภาวะ

   เกิดจากสายเคเบิลทำตัวเป็นคาโธด จะเกิดด่างหรือด่างเกลือของ โซเดียม โพแทสเซียม และแคลเซียม ด่างที่เกิดจะเกิดมากสุดบริเวณจุดที่มีความหนาแน่นกระแสสูงสุด ประจุไฮโดรเจนบวกจะทำให้เกิดด่างเพิ่มขึ้น ไฮโดรเจนที่สะสมเพิ่มขึ้นที่เปลือกของสายเคเบิลนี้จะทำให้เกิดตะกั่วและรูปร่างของเปลือกนอกเปลี่ยนไปซึ่งประกอบไปด้วย ชั้นของตะกั่ว ตะกั่วโมนอกไซด์ (Lead Monoxide) คาร์บอเนต และไฮโดรเจนของด่างเกลือจะมองเห็นชั้นเหล่านี้เป็นสีส้มแดงสว่าง ของตะกั่วโมนอกไซด์ สีเหลืองและเขียวอาจเกิดขึ้นได้บางสภาวะ

แหล่งกำเนิดของ Stray Current
   เกิดจากการใช้งานไฟฟ้ากระแสตรงและเกิดการไหลกลับโดยตั้งใจหรือไม่ตั้งใจโดยใช้ดินเป็นทางเดินกลับเข้าสู่วงจร ในระบบรถรางไฟฟ้า การป้องกันแบบ Cathodic จะต้องทำมากที่สุด เพราะเป็นแหล่งกำเนิดของ Stray Current การเชื่อม การใช้ลิฟต์ และวงจรสัญญาณอื่น ๆ เป็นแหล่งจ่ายที่มีผลกระทบน้อยกว่า

 รูปที่ 1 แสดงแหล่งของ Stray Current ที่เกิดจากรถไฟฟ้าที่ใช้กระแสตรง

   จากรูปที่ 1 แสดงแหล่งของ Stray Current ที่เกิดจากรถไฟฟ้าที่ใช้กระแสตรง โดยปกติรางจะเป็นส่วน Negative Return แต่โดยทั่วไปที่ไม่ได้มีการฉนวนรางกับพื้นโลกก็จะเกิดการนำกระแสผ่านพื้นโลกได้ ทำให้โลหะใต้ดินเป็นตัวนำไปด้วย และเกิดการจ่ายกระแสกลับสู่แหล่งจ่ายเข้าสู่แหล่งกำเนิดจากโลหะใต้ดินบริเวณแหล่งกำเนิดซึ่งก็จะเกิดการสึกกร่อนของโครงสร้างใต้ดินไปด้วย

รูปที่ 2 การป้องกัน Cathodic ซึ่งก็ยังมีบางส่วนที่กระแสหลุดรอดไปยังส่วนข้างเคียงทำให้เกิดการสึกกร่อนขึ้นได้

 รูปที่ 3 แสดง Stray Current จากการใช้ไฟฟ้ากระแสตรง

การวัด Stray Current
   จะต้องทำการเริ่มวัดกระแสและแรงดันเพื่อคำนวณภาวะการสึกกร่อนโดยทำการวัดระหว่างโครงสร้างและรางทั้งสองและระหว่างรางกับโครงสร้างถัดไป โดยใช้เครื่องวัด DC mV/V ที่มีความไว 100,000 (/V หรือสูงกว่าและควรเป็นชนิดที่วัดได้ 2 ทิศทางคือค่า 0 อยู่กึ่งกลางหรืออาจใช้มิเตอร์ที่มีความละเอียดต่ำกว่าก็ได้และแต่ความผิดพลาดจะมากขึ้น สำหรับการวัดแรงดันโครงสร้างเทียบกับพื้นโลก ใช้ Copper Sulfate Half Cell ซึ่งจะดีที่สุดถ้าเชื่อมต่อ Half Cell ที่ความลึก 5 ฟุตจากโครงสร้างหรืออาจเป็นจุดล่างสุดของ Manhole หรือเหนือท่อ Duct ก็ได้

   การวัดกระแสทำได้โดยการวัดแรงดันตกคร่อมในความยาวช่วงหนึ่งของโครงสร้างและคำนวณหาค่ากระแสออกมา มิเตอร์ควรเป็นสเกล 1 ทิศทางเช่นเดียวกัน
แรงดันและกระแสที่อ่านได้ควรนำมาสัมพันธ์กันเพราะอาจมีการเปลี่ยนแปลงมากควรทำในช่วงระยะเวลาหนึ่งเพื่อให้ได้ข้อมูลเฉลี่ยที่น่าเชื่อถือ โดยใช้ DC Recording mV/V Meter บันทึกภายใน 24 ชม. ปกติใช้ความไว 10,000 (/V หรือสูงกว่าเก็บข้อมูลหลาย ๆ แห่ง

 
การควบคุมการสึกกร่อนโครงสร้างใต้ดิน
     
มีอยู่หลายวิธีที่จะควบคุมการสึกกร่อนจาก Stray Current ได้คือ
1. ลดการรั่วไหลของกระแสจากราง
2. ลดการเพิ่มขึ้นของกระแสรั่วไหล
3. ตัดตอนความต่อเนื่องของโครงสร้างใต้ดิน
4. จัดเตรียมเส้นทางไว้สำหรับ Stray Current

1. การลดการรั่วไหลของกระแสจากราง 

   โดยเพิ่มความต้านทานระหว่างรางและพื้นโลกคือเมื่อมีการใช้รางเป็นส่วนไหลกลับของกระแส จะมีกระแสส่วนต่าง ๆ ไหลลงสู่หมอนรางและพื้นโลก โดยทั่วไปในระยะเขตสิทธิปลอดภัยจะใช้หินกรวดรองหมอนรางรถไฟเพื่อลดกระแสรั่วไหล การเชื่อมต่อรางที่ไม่ดีก็จะเป็นการเพิ่มความต้านทานทำให้เป็นการเพิ่ม Leakage Current ไปในตัว และหากมีการใช้ตัวนำวิ่งขนานไปกับรางก็จะช่วยเพิ่มความนำให้รางวิ่งด้วย

   กระแสรั่วไหลมีผลมาจาก ตำแหน่ง ขนาด และตารางเวลาใช้งานสถานีไฟฟ้า ในการออกแบบระยะห่างระหว่างสถานีและรางควรให้อยู่ใกล้กันเพื่อป้องกันแรงดันตก ถ้าแรงดันตกเกิน 4 V/1000 ft. เป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดกระแสรั่วไหลเนื่องจากความนำไม่ดี

   ตารางเวลาการทำงานของสถานีไฟฟ้าก็มีส่วนช่วยให้เกิดกระแสรั่วไหลเพิ่มขึ้นได้  ในช่วง Off Peak การใช้สถานีไฟฟ้าน้อยจ่ายให้รถไฟฟ้าจะทำให้เกิดแรงดันตกและกระแสรั่วไหลจะมาก

2.  การลดการเพิ่มขึ้นของกระแสรั่วไหลในโครงสร้างใต้ดิน

   ทำได้โดยเพิ่มความต้านทานจากพื้นโลกโดยการเคลือบของเหลวหรือเทปเพื่อป้องกันโครงสร้างจากดิน  ถ้าเป็นเคเบิลที่เปลือกนอกไม่ใช่โลหะสามารถใช้เทปพันตลอดแนวความยาว หากเป็นท่อโลหะให้ใช้ของเหลวหรือเทปพันหรือเปลี่ยนท่อไปใช้แบบที่ไม่ใช่โลหะ

   ถ้าโครงสร้างอยู่ในท่อ Duct การลดกระแสรั่วไหลทำได้โดยการฉีดน้ำเพื่อลดเกลือ ภายในท่อ Duct & Manhole เพื่อเพิ่มความต้านทานให้กับเคเบิล


3.  การตัดตอนความต่อเนื่อง 

   โดยการใช้ฉนวนคั่นระหว่างโครงสร้างเพื่อไม่ให้เกิดความต่อเนื่องของกระแสรั่วไหลไปยังสถานีไฟฟ้า ฉนวนนี้จะใช้ได้ผลกับโครงสร้างที่อยู่ใต้รางหรือใกล้กับจุดสิ้นสุดของราง  ถ้าจำเป็นต้องให้โครงสร้างนั้นต่อเนื่องอาจใช้ตัวความต้านทานหรือ คาปาซิเตอร์ต่อเชื่อมแทน


4.  การใช้ตัวนำเป็นเส้นทางเดินของ Stray Current

   โดยให้เป็นตัวนำสำหรับกระแสรั่วไหลโดยจัดวางไว้ใน Anodic Area ระหว่างโครงสร้างและฟีดเดอร์ลบ ราง หรือ กราวด์บัสของสถานีไฟฟ้า ตำแหน่งและความต้านทานของตัวนำนี้ควรให้เพียงพอกับค่าความนำที่ด้องการ และการนำกระแสรั่วไหลกลับแหล่งจ่าย โดยไม่ทำให้โครงสร้างอื่นเสียหาย ขนาดของตัวนำที่เล็กไปจะทำให้เกิด Anodic Condition และถ้าใหญ่เกินไปจะทำให้เกิดศักย์ลบบนโครงสร้างได้ ตัวนำนี้ปกติมักใช้ขนาดใหญ่และมีความต้านทานเชื่อมอยู่ เมื่อตัวนำนี้ยาวและมีความต้านทานสูง หรือมีศักย์ไฟฟ้าระหว่างโครงสร้างและสถานีต่ำไป อาจใช้ Rectifier เพื่อเพิ่มการระบายกระแสได้
 
   ตัวนำนี้เป็นโลหะที่ต้องต่อตรงกับระบบเพื่อนำกระแสไฟฟ้ากลับสถานีไฟฟ้า และบางครั้งกระแสอาจเกิดการกลับทิศทางได้ อาจใช้สวิตช์กลับทิศทางกระแสหรือไดโดดเพื่อป้องกันการเพิ่มขึ้นของกระแสจากสถานีซึ่งพิกัดของความต้านทานและทนทานกระแสควรสูงถึง 400 A หรือมีสภาพเสมือนเปิดวงจรเมื่อกระแสไหลทิศทางหนึ่งและมีความต้านทานต่ำเมื่อกระแสไหลทิศทางตรงข้าม

   สภาวะ Anodic มักเกิดบ่อยในโครงสร้างใต้ดินที่ต่อขยายถึงปลายราง ซึ่งไม่ได้ใช้ตัวนำระบายกระแสรั่วไหล การป้องกันแบบ Cathodic สามารถนำมาใช้ได้ในจุดนี้ทั้งการเคลือบป้องกัน Anode หรือเคลือบป้องกันแบบ Rectifier ของระบบป้องกัน Cathodic สามารถใช้ได้ตามความจำเป็น การป้องกันแบบ Anodic สามารถใช้ในตำแหน่งช่วงกลางของระบบหรือกระจายในแต่ละช่วงของโครงสร้างสำหรับสายเคเบิลมักติดตั้งในท่อ Duct หรือ Manhole

   ในการใช้งานการป้องกัน Cathodic ที่ติดตั้งไว้นั้นอาจเกิดการระบายกระแสที่มากไปหรือน้อยไปก็ได้ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของโหลดและตารางการใช้งานสถานีไฟฟ้า ดังนั้นการป้องกันจะไม่คงที่ การใช้ Magnetic Amplifier จะช่วยกำจัดปัญหานี้ได้ โดยจะควบคุมแรงดันของโครงสร้างกับพื้นโลก

การสำรวจและซ่อมบำรุง

   การแก้ปัญหา Stray Current ควรมีการสำรวจและซ่อมบำรุง ควรมีการทำตารางตรวจสอบเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในการใช้งานของสถานีไฟฟ้าและในฤดูที่แตกต่าง จะมีกระแสรั่วไหลต่างกัน การซ่อมถนนหือการตัดไฟฟ้าซ่อมบำรุงสถานีไฟฟ้า การจัดวางโครงสร้างใหม่จะมีผลกระทบต่อ Stray Current การทดสอบจากส่วนกลางจะเป็นการตรวจสอบสภาพของตัวนำระบายกระแสและสวิตช์อัตโนมัติ และการกำจัดความผิดพลาดจากการตรวจสอบโดยบุคคล

สรุป

   Stray Current ทีเกิดจากระบบใต้ดินนั้นจะเกิดจากระบบรถไฟฟ้าเป็นหลัก กระแสรั่วไหลนี้จะไหลผ่านโครงสร้างใต้ดิน และเป็นตัวเร่งให้เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการสึกกร่อน วิธีที่จะควบคุมประกอบด้วย สวิตช์โซลินอยด์ ไดโอด Rectifier การเคลือบอาโนด และการต่อตรง การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นใหม่ ๆ จะทำให้การควบคุม Stray Current ทำได้ดีขึ้นและการร่วมมือกันของผู้ใช้งานระบบต่าง ๆ เพื่อจะป้องกันก็จะช่วยลดอันตรายจาก Stray Current ได้