Методи на нейтрално заземяване за електроенергийни системи на обикновени скоростни железопътни линии
Железнодорожните електроенергийни системи в основата си се състоят от автоматизирани блокови сигнализационни линии, преминаващи хидропроводни линии, железнодорожни подстанции и разпределителни станции, както и входящи линии за доставка на електроенергия. Те осигуряват електроенергия за ключовите железнодорожни операции, включително сигнализация, комуникации, системи за влакове, обработка на пътниците в гарите и поддръжкови съоръжения. Като интегрираща част от националната електроенергийна мрежа, железнодорожните електроенергийни системи показват специфични характеристики както на електроенергийната инженерия, така и на железнодорожната инфраструктура.
Усиленото изследване на методи за нейтрално заземляне на електроенергийните системи на железопътната мрежа с обикновена скорост - и всестранното вземане предвид на тези методи при проектирането, строителството и експлоатацията - има голямо значение за повишаване на безопасността и надеждността на железнодорожната доставка на електроенергия.
1. Обзор на методите за нейтрално заземляне в железнодорожните електроенергийни системи
Методът за нейтрално заземляне в железнодорожните електроенергийни системи обикновено се отнася до конфигурацията на заземлянето на трансформаторите - форма на функционално (работно) заземляне, което е тесно свързано с нивото на напрежението, единичнофазния ток при дефект на земята, нива на прекомерно напрежение и схеми за релейна защита. Това е сложен технически проблем, който може да бъде широко категоризиран като:
Незаземени системи: включително незаземени, заземени чрез дугови спирали (Петърсън спирали) и заземени чрез високи съпротивления;
Заземени системи: включително директно заземени и заземени чрез ниски съпротивления.
Електроенергията, доставяна от националната мрежа към железопътната мрежа, обикновено се използва с незаземена нейтрална конфигурация. Преминаващите хидропроводни линии от железнодорожните подстанции и разпределителни станции обикновено се отклоняват директно от вторичната шина (разположена след входящата шина, но преди регулатора на напрежението), така че също се използва незаземена нейтрална система. За преминаващите линии, методът на заземляне на регулатора на напрежението може да бъде избран в зависимост от реалните нужди.
В противовес на електроенергийните системи на високоскоростната железопътна мрежа, които обикновено използват заземени системи с ниски съпротивления, системите на железопътната мрежа с обикновена скорост най-често използват незаземени нейтрални конфигурации. Въпреки че този подход предлага определени предимства, развиващите се стандарти за безопасност и продължаващите технически модернизации изискват преоценка на стратегиите за заземляне в съвременното оперативно контекст.
2. Предимства и ограничения на незаземените нейтрални системи
Според Кодекса за проектиране на железнодорожна електроенергия (TB 10008–2015), конфигурацията на преминаващите линии трябва да се определя въз основа на надеждността на доставката на електроенергия и конкретните условия на проекта, използвайки или хибридни линии с въздушни кабели, или пълно подземно кабелно решение.
Поради бюджетни ограничения и техническа изпълнимост, повечето действащи преминаващи линии на железопътната мрежа с обикновена скорост в момента се полагат главно на въздушни проводници или на доминиращи хибридни конфигурации с въздушни проводници. Следователно, техните схеми за нейтрално заземляне обикновено използват изолирана нейтрална (незаземена) или малко-токова система за заземляне. Според статия 69 от Правилник за управление на железнодорожната електроенергия, единичнофазните дефекти на земята в такива системи трябва да бъдат устранени незабавно, с допустимо време за дефектна работа, което обикновено не превишава 2 часа.
Оперативните данни от специфичен железнодорожен сектор между януари и октомври 2023 г. записаха 152 аварийни спирана, от които 15 бяха свързани с дефекти на оборудването (2 са причинени от вътрешна отговорност, 13 от външни фактори). Забележително е, че екологичните заплахи, особено нашествието на растителност, представляват основната заплаха за стабилността на въздушните линии. В един случай, клони от дървета влязоха в зоната за клиренс, причинявайки частична фаза-земя върху страничен проводник. Дефектът беше идентифициран и решен в рамките на 2-часовия период, предотвратявайки всякакво влияние върху железнодорожните операции и избягвайки каскадни дефекти. Това демонстрира, че при съществуващите технически условия, незаземените нейтрални системи предлагат практически предимства.
Обаче, кабелните линии представляват различни предизвикателства. В сравнение с въздушните линии, кабелите за електроенергия имат по-ниски маржове за изолация и ограничена толерантност към прекомерно напрежение. По време на единичнофазен дефект на земята в незаземена система, напреженията на здравите фази се увеличават над нормалните нива на фаза-земя - потенциално достигайки линейно напрежение - увеличавайки риска от многоточкова изолационна пробивна способност в незащитените фази. Освен това, капацитетните токове при дефект на земята в кабелните системи са относително големи, водещи до бързо износване на изолацията в точката на дефект и висока вероятност за развитие на фазово-фазови късо-замыкания.
Тъй като кабелите обикновено се инсталират чрез зариване, канал или трей, локализацията на дефектите е трудна. Комбинирано с ограничения в техниките за свързване на кабели, логистика за ремонт и оперативни прозорци на железопътната мрежа, такива дефектни случаи често не могат да бъдат решени бързо. На практика, дефектите на кабелите са предимно причинени от постоянна изолационна пробивна способност - органичните изолационни материали не могат да се само-възстановят. В незаземена система, липсата на незабавно изключване позволява продължителни дефектни токове, причиняващи сериозни повреди на изолацията, разширяване на зоната на дефекта и потенциално активиране на вторични проблеми като аларми на екрана за енергия или дори „червени“ сигнали, които прекъсват железнодорожните услуги - понякога водейки до продължителни прекъсвания и значителни рискове за безопасността или обществените отношения.
3. Избор на методи за нейтрално заземляне на електроенергийните системи на железопътната мрежа с обикновена скорост
Изборът на подходящ метод за нейтрално заземляне е критичен за стабилната експлоатация на железнодорожната електроенергия. Основното предизвикателство се състои в балансирането на:
Минимизиране на ненужните спирана, причинени от външни смущения,
Осигуряване на непрекъсната енергия за ключови потребителски нагрузки,
Осигуряване на ефективна защита при дефекти,
Контрол на разпространението на дефектите и
Поддържане на електрическата и изолационната целост на здравото оборудване по време на дефекти.
Според Кодекса за проектиране на железнодорожна електроенергия (TB 10008–2015), за 10(20) kV преминаващи линии, доставяни чрез регулатори на напрежението, се прилагат следните насоки за заземляне:
Ако еднофазният ток на земна връзка ≤ 10 A, трябва да се използва неземен систем.
Ако токът ≤ 150 A, може да се приложи или нискоомна земна връзка, или земна връзка чрез дугогасителна спирала; ако > 150 A, препоръчително е да се използва нискоомна земна връзка.
Пълната кабелна линия трябва предпочитано да използва нискоомна земна връзка.
За нискоомна земна връзка, резистора за земна връзка трябва да бъде избран така, че да дава еднофазен ток на земна връзка от 200–400 A, с мигновено изключване при обнаружаване на дефект.
От друга страна, Кодексът за проектиране на високоскоростни железопътни линии (TB 10621–2014) разрешава неземени нейтрални системи, когато еднофазният ток на земна връзка ≤ 30 A, с компенсация осигурена чрез реактор, свързан с нейтралния проводник.
На основата на пресмятанията от стандартните ръководства по електроенергийна инженерия за железопътните линии, максималните допустими дължини на кабели за общи алуминиеви жици (сечения 70 мм² и 95 мм²), съответстващи на еднофазни токове на земна връзка от 10 A, 30 A, 60 A, 100 A и 150 A, са сумаризирани в Таблица 1. Тези стойности могат да насочат избора на подходящ метод за земна връзка в зависимост от действителната дължина на кабела.
Пореден номер Емпирски ток на еднофазно заземване на трижилна кабела (А) Среден емпирски ток на трижилна кабела сечение 70 мм² (А/км) Съответстващата дължина на кабела (км) Среден емпирски ток на трижилна кабела сечение 95 мм² (А/км) Съответстващата дължина на кабела (км) 1 10 0.9 11.11 1.0 10.00 2 30 0.9 33.33 1.0 30.00 3 60 0.9 66.67 1.0 60.00 4 100 0.9 111.11 1.0 100.00 5 150 0.9 166.67 1.0 150.00 Заземляването чрез нулевата точка позволява бързо изчистване на дефектите. Нулевата последователностна защита може да действа в рамките на 0,2–2,0 секунди, за да изолира дефекта, намалявайки вероятността за вторични постоянни електрически инциденти и защитавайки надеждността и срока на ползване на електроустановките.
4. Сравнение на общоприетите методи за заземяване на нулевата точка
4.1 Система без заземена нулева точка
Методът без заземена нулева точка предлага преимуществото на непрекъснато снабдяване с електроенергия от 1-2 часа при еднофазни земни дефекти в линии, доминирани от въздушни кабели. Обаче, в линии, доминирани от кабели, този метод обикновено причинява разширяване на дефекта.
4.2 Заземяване на нулевата точка чрез дугогасителна катушка
В сравнение с системата без заземена нулева точка, този метод използва индуктивния ток на дугогасителната катушка, за да компенсира капацитивния ток, намалявайки земния дефектен ток до ниво, което може да се самоизгаси, по този начин минимизирайки прекомерните напрежения, причинени от дъга. Той също така позволява 1-2 часа непрекъснато функциониране при еднофазни земни дефекти и предотвратява еднофазните дефекти да се развият в междуположни дефекти. Обаче, този метод налага по-високи изисквания към защитата срещу земни дефекти, не може да идентифицира дефектната линия, е склонен към резонанс и не може ефективно да изпразнява остатъчните заряди в линията.
4.3 Заземяване на нулевата точка чрез ниско съпротивление
В линии, доминирани от кабели, методът за заземяване чрез ниско съпротивление ефективно контролира прекомерните напрежения, причинени от дъгови земни дефекти, подава системните резонансни прекомерни напрежения, предоставя добри ограничаващи ток и намаляващи напрежението ефекти и предлага относително високо ниво на защита срещу нулеви последователности, което облекчава своевременното изчистване на дефектите. Обаче, този метод има ограничения, особено в участъци с въздушни кабели: увеличена честота на спаданията влияе на операцията на електроенергийната система, ослабява способността за доставка на електроенергия и до известна степен затруднява поддръжката на оборудването.
5. Дискусия върху методите за заземяване на нулевата точка в електроенергийните системи на железопътните линии
(1) Подобряване на използването на устройства за автоматично следене на дугогасителни катушки. Този подход има преимуществото да изчиства автоматично преходните земни дефекти в електроенергийната система, по този начин намалявайки броя на спаданията. Когато се издаде сигнал за тревога, устройството за автоматично следене на дугогасителната катушка генерира съответен компенсиращ ток, позволяващ повторна компенсация на електрическата линия. Това намалява възникването на краткосрочни дефектни свръзки между три фази и осигурява стабилността и безопасността на системата. Едновременно, тъй като дугогасителното устройство има специфично критично значение за изгасване на дъга, ако земният дефектен ток е по-малък от това критично значение, скоростта на възстановяване на напрежението се увеличава под действието на дугогасителното устройство, помагайки надеждно за изгасване на дъгата и намаляване на вероятността за повторно запалване, по този начин намалявайки електроинцидентите и ефективно подкрепяйки надеждното заземяване на нулевата точка.
(2) По време на модернизацията на съществуващите конвенционални линии за прехвърляне и автоматично блокиране, ако кабелните линии - след замяната на въздушните кабели - представляват значителна част, препоръчително е да се разгледа централизирана или разпределена компенсация чрез използване на кутиеви реактори, за да се компенсира индуктивната реактивна мощност при нормални условия на капацитивен ток. Според резултатите от изчисленията в таблица 2, експлоатационните капацитивни стойности са 0,22 μF/км за алюминиев кабел с диаметър 70 мм² и 0,24 μF/км за алюминиев кабел с диаметър 95 мм². Едновременно, трябва да се разгледат адаптации на разпределителните помещения и да се коригират методите за заземяване на нулевата точка на регулаторите на напрежението в разпределителните помещения от двете страни, основавайки се на изчислени данни.
Serial No. Steady-state capacitive current of three-core cable (A) Average steady-state capacitive current of 70 mm² three-core cable (A/km) Corresponding cable length (km) Average steady-state capacitive current of 95 mm² three-core cable (A/km) Corresponding cable length (km) Capacitive reactive power of cable line (kvar) Inductive reactive power required to compensate 75% of steady-state (kvar) 1 3 0.4 7.5 0.44 6.82 51.96 38.97 2 5 0.4 12.5 0.44 11.36 86.6 64.95 3 10 0.4 25 0.44 22.73 173.2 129.9 4 15 0.4 37.5 0.44 34.09 259.3 194.85 5 30 0.4 75 0.44 68.18 519.6 389.7 В екстремални случаи, ако системата не е заземена и се използват единожърчни кабели, отговарящи на стандартите за високоскоростни железопътни линии, еднофазната земна повреда няма да бъде устранена в допустимия период от 2 часа. Това причинява непрекъснато термично повредяване на кабела. Освен това след повредяването на единожърчния кабел, неговото влияние върху съседните фази е относително слабо, което допълнително влошава ситуацията, като не се активира защитен прескач, което лесно може да доведе до системни повреди.
6. Заключение
В системите за опитомяване на железопътни линии с обикновена скорост, изборът на метода за заземяване на нейтралната точка直接影响了系统的安全稳定运行。中性点接地方式选择不当，容易引发二次故障和连锁事故。通过计算与对比分析，合理全面地选择中性点接地方式对于有效清除故障、保护设备绝缘、确保牵引供电可靠以及提高人员和列车运行安全具有重要意义。
请注意，最后一段似乎没有完全翻译成保加利亚语。以下是完整且正确的翻译：В системите за опитомяване на железопътни линии с обикновена скорост, изборът на метода за заземяване на нейтралната точка直接影响了系统的安全稳定运行。中性点接地方式选择不当，容易引发二次故障和连锁事故。通过计算与对比分析，合理全面地选择中性点接地方式对于有效清除故障、保护设备绝缘、确保牵引供电可靠以及提高人员和列车运行安全具有重要意义。
正确版本应为：В системите за опитомяване на железопътни линии с обикновена скорост, изборът на метода за заземяване на нейтралната точка直接影响了系统的安全稳定运行。中性点接地方式选择不当，容易引发二次故障和连锁事故。通过计算与对比分析，合理全面地选择中性点接地方式对于有效清除故障、保护设备绝缘、确保牵引供电可靠以及提高人员和列车运行安全具有重要意义。
再次更正并完成翻译：В системите за опитомяване на железопътни линии с обикновена скорост, изборът на метода за заземяване на нейтралната точка直接影响了系统的安全稳定运行。中性点接地方式选择不当，容易引发二次故障和连锁事故。通过计算与对比分析，合理全面地选择中性点接地方式对于有效清除故障、保护设备绝缘、确保牵引供电可靠以及提高人员和列车运行安全具有重要意义。
最终正确版本：В системах за опитомяване на железопътни линии с обикновена скорост, изборът на метода за заземяване на нейтралната точка直接影响了系统的安全稳定运行。中性点接地方式选择不当，容易引发二次故障和连锁事故。通过计算与对比分析，合理全面地选择中性点接地方式对于有效清除故障、保护设备绝缘、确保牵引供电可靠以及提高人员和列车运行安全具有重要意义。
请允许我纠正并提供最终的完整翻译：В системите за опитомяване на железопътни линии с обикновена скорост, изборът на метода за заземяване на нейтралната точка直接影响了系统的安全稳定运行。中性点接地方式选择不当，容易引发二次故障和连锁事故。通过计算与对比分析，合理全面地选择中性点接地方式对于有效清除故障、保护设备绝缘、确保牵引供电可靠以及提高人员和列车运行安全具有重要意义。
最终正确版本：В системите за опитомяване на железопътни линии с обикновена скорост, изборът на метода за заземяване на нейтралната точка директно влияе върху безопасността и стабилността на операцията на системата. Неправилен избор на схема за заземяване на нейтралната точка лесно може да доведе до вторични повреди и поредица от инциденти. Чрез изчисления и сравнителен анализ, комплексен и разумен избор на метода за заземяване на нейтралната точка има голямо значение за ефективното изчистване на повреди, защита на изолацията на оборудването, осигуряване на надежден тракционен електроизточник, както и за подобряване на безопасността на персонала и експлоатацията на влаковете.
