Metody neutrálního zazemlení pro elektrické systémy tradičních železničních tratí

Železniční elektrické systémy se především skládají z automatických blokových signalizačních linek, propojovacích vedení, železničních transformačních stanic a distribučních stanic a přiváděcích vedení. Poskytují elektřinu pro klíčové železniční operace, včetně signalizace, komunikace, systémů vozidel, obsluhy cestujících na stanicích a provozních zařízení. Jako integrální součást národní elektrické sítě mají železniční elektrické systémy specifické charakteristiky jak elektrického inženýrství, tak železniční infrastruktury.

Intenzifikace výzkumu metod zemlování neutrálu v elektrických systémech konvenční železnice a jejich komplexní zohlednění během návrhu, výstavby a provozu je velmi důležité pro zlepšení bezpečnosti a spolehlivosti dodávky elektrické energie na železnici.

1. Přehled metod zemlování neutrálu v železničních elektrických systémech

Metoda zemlování neutrálu v železničních elektrických systémech obvykle odkazuje na konfiguraci zemlování transformátorů – formu funkčního (pracovního) zemlování, která je těsně spojena s úrovní napětí, jednofázovým proudem při zemské chybě, úrovní přepětí a schématy relé ochrany. Je to komplexní technická otázka, kterou lze rozdělit do kategorií:

• Nesolidní zemlované systémy: včetně nezemlovaných, zemlovaných s odpalovací cívkou (Petersenova cívka) a zemlovaných s vysokým odporom;

• Solidně zemlované systémy: včetně přímého zemlování a zemlování s nízkým odporem.

Elektrické dodávky z národní sítě na železnici obecně používají nezemlovanou konfiguraci neutrálu. Vedení z železničních transformačních a distribučních stanic jsou obvykle odpojena přímo od sekundární sběrnice (umístěné po přiváděcím sběrnici, ale před regulátorem napětí), takže také používají nezemlovaný systém neutrálu. Pro propojovací vedení může být metoda zemlování upravovacího transformátoru vybrána podle skutečných potřeb.

Na rozdíl od elektrických systémů rychlostní železnice, které často používají zemlování s nízkým odporem, konvenční železniční systémy převážně používají nezemlovanou konfiguraci neutrálu. Ačkoli tento přístup nabízí určité výhody, rostoucí bezpečnostní normy a trvající technické vylepšování vyžadují nové zhodnocení strategií zemlování v kontextu dnešního provozu.

2. Výhody a omezení nezemlovaných systémů neutrálu

Podle Normy pro návrh železničních elektrických systémů (TB 10008–2015) by měla být konfigurace propojovacích vedení určena na základě spolehlivosti dodávky elektřiny a specifických podmínek projektu, pomocí kombinovaných vedení s lanovými a kabelovými částmi nebo plně podzemních kabelových vedení.

Vzhledem k finančním omezením a technické možnosti, většina fungujících konvenčních železničních propojovacích vedení v současnosti závisí převážně na povrchových vodičích nebo na kombinacích s převažujícími povrchovými částmi. Proto jejich systémy zemlování neutrálu obvykle používají izolovaný neutrál (nezemlovaný) nebo systémy s malým proudem zemlování. Podle článku 69 Pravidel správy železničních elektrických systémů musí být jednofázové zemské chyby v těchto systémech rychle vyřešeny, s dovoleným časem chyby obvykle nepřekračujícím 2 hodiny.

Operační data z určitého oddělení železničního úřadu mezi lednem a říjnem 2023 zaznamenala 152 vypnutí proudu, z nichž 15 byly způsobeny selháním zařízení (2 způsobeny interní odpovědností, 13 externími faktory). Zvláště ohrožení prostředí, zejména nálet vegetace, představuje hlavní hrozbu pro stabilitu povrchových vedení. V jednom incidentu se větve stromů dostaly do bezpečnostní zóny, což způsobilo částečné spojení fáze s zemí na vedlejším vodiči. Chyba byla identifikována a vyřešena během 2hodinového okna, což zabránilo jakémukoli dopadu na provoz vlaků a předešlo kaskádovým selháním. To ukazuje, že za stávajících technických podmínek nezemlované systémy neutrálu nabízejí praktické výhody.

Nicméně, kabelová vedení představují jiné výzvy. V porovnání s povrchovými vedeními mají elektrické kabely nižší izolační rezervy a omezenou toleranci přepětí. Během jednofázové zemské chyby v nezemlovaném systému se napětí na zdravých fázích zvýší nad normální úroveň fáze k zemi – může dosáhnout úrovně mezi fázemi – což zvyšuje riziko vícebodového porušení izolace na nefaultních fázích. Kromě toho jsou kapacitní zemské chybové proudy v kabelových systémech relativně velké, což vedá k rychlé degradaci izolace v místě chyby a vysoké pravděpodobnosti vývoje do fázových krátkých spojení.

Protože kabely jsou obvykle instalovány pohřbením, v konduitech nebo v kolejnicích, je umístění chyby obtížné. Spolu s omezeními v technikách spojování kabelů, logistikou oprav a operačními okny železnice, takové chyby často nelze rychle vyřešit. Ve skutečnosti jsou selhání kabelů převážně způsobena trvalým porušením izolace – organické izolační materiály se nemohou samoobnovit. V nezemlovaném systému nedostatek okamžitého vypnutí umožňuje dlouhotrvající chybové proudy, což způsobuje vážné poškození izolace, rozšiřuje zónu chyby a může vyvolat sekundární problémy, jako jsou alarmy na energetických panelech nebo dokonce "červené pásmo" signálních selhání, která ruší provoz vlaků – někdy vedou k dlouhotrvajícím výpadkům a významným bezpečnostním nebo veřejnoprávním rizikům.

3. Výběr metod zemlování neutrálu pro elektrické systémy konvenční železnice

Výběr vhodné metody zemlování neutrálu je klíčový pro stabilní provoz železničního elektrického systému. Klíčovým výzvou je vyvážit:

• minimalizaci nepotřebného vypnutí způsobeného vnějšími rušivými vlivy,

• zajištění neprerušené dodávky elektrické energie kritickým spotřebičům,

• umožnění efektivní ochrany před chybami,

• kontrolu šíření chyb a

• udržení elektrické a izolační integrity zdravého zařízení během chyb.

Podle Normy pro návrh železničních elektrických systémů (TB 10008–2015) platí pro 10(20) kV propojovací vedení dodávaná přes upravovací transformátory následující pokyny pro zemlování:

• Pokud je jednofázový kapacitní proud zemního větve ≤ 10 A, má být použito nenzemněné systému.

• Pokud je proud ≤ 150 A, může být použito buď nízkoodporové zazemlení, nebo zazemlení s dešťovkou; pokud > 150 A, doporučuje se nízkoodporové zazemlení.

• Pro úplně kabelové linky by mělo být upřednostněno nízkoodporové zazemlení.

• U nízkoodporového zazemlení by měl být odporový odporník vybrán tak, aby jednofázový zemní proud byl 200–400 A, s okamžitým vypnutím při detekci poruchy.

Naopak, Norma pro návrh vysokorychlostních drah (TB 10621–2014) umožňuje nenzemněné neutrální systémy, pokud je kapacitní proud zemní větve ≤ 30 A, s kompenzací prostřednictvím neutrálního zemněného reaktoru.

Na základě výpočtů ze standardních průvodců elektrotechnikou železnic jsou maximální povolené délky kabelů běžných hliníkových kabelů (průřezy 70 mm² a 95 mm²) odpovídající jednofázovým kapacitním proudům zemní větve 10 A, 30 A, 60 A, 100 A a 150 A shrnuty v tabulce 1. Tyto hodnoty mohou sloužit jako směrnice pro výběr vhodné metody zazemlení na základě skutečné délky kabelu.

Zazemňování přes neutrální bod umožňuje rychlé odstranění poruch. Nulová sériová ochrana může začít fungovat během 0,2–2,0 sekundy k izolaci poruchy, čímž se snižuje pravděpodobnost sekundárních trvalých elektrických incidentů a chrání spolehlivost a životnost izolace elektrického zařízení.

4. Srovnání běžných metod zazemňování neutrálu

4.1 Nezazemněný neutrálový systém

Metoda nezazemněného neutrálu nabízí výhodu nepřetržitého dodávání energie po dobu 1–2 hodin při jednofázových zemních poruchách na liniích s převahou povětřových vodičů. V liniích s převahou kabelů však tato metoda může vést ke zhoršení poruchy.

4.2 Zazemňování neutrálu pomocí cívky pro potlačení oblouku

Ve srovnání s nezazemněným neutrálovým systémem tato metoda používá induktivní proud cívky pro potlačení oblouku k kompenzaci kapacitního proudu, čímž se proud zemní poruchy sníží na úroveň, která může samočinně vyhasnout, což minimalizuje nadnapětí způsobené obloukem. Tato metoda také umožňuje nepřetržitou operaci po dobu 1–2 hodin při jednofázových zemních poruchách a brání v tom, aby se jednofázové poruchy rozšířily na meziúrovňové poruchy. Nicméně, tato metoda klade vyšší nároky na ochranu před zemními poruchami, nedokáže identifikovat vadnou linku, je náchylná k rezonanci a nemůže efektivně uvolnit zbytkové náboje na lince.

4.3 Zazemňování neutrálu pomocí nízkého odporu

V liniích s převahou kabelů efektivně kontroluje metoda zazemňování pomocí nízkého odpory nadměrné napětí způsobené obloukem při jednofázových zemních poruchách, potlačuje rezonanční nadměrné napětí, poskytuje dobré omezující a snižující efekty proudu a napětí a nabízí relativně vysokou výkonnost ochrany před nulovým sériovým přetížením, což usnadňuje včasné odstranění poruch. Nicméně, tato metoda má své omezení, zejména v úsecích s povětřovými vodiči: zvýšená frekvence vypnutí ovlivňuje provoz elektrického systému, oslabuje schopnost dodávání energie a zvyšuje obtížnost údržby zařízení v určité míře.

5. Diskuse o metodách zazemňování neutrálu pro elektrické systémy drah

(1) Zlepšit využití zařízení automatického sledování cívky pro potlačení oblouku. Tento přístup má výhodu automatického odstraňování přechodných zemních poruch v elektrickém systému, čímž se snižuje počet vypnutí. Po vydání signálu poplachu o poruše generuje automatická cívka pro potlačení oblouku odpovídající kompenzační proud, což umožňuje opětovné kompenzování elektrické linie. To snižuje výskyt krátkozaměrných poruch mezi třemi fázemi a zajistí stabilitu a bezpečnost systému. Současně, protože zařízení pro potlačení oblouku má specifickou kritickou hodnotu pro hasení oblouku, pokud je proud zemní poruchy menší než tato kritická hodnota, rychlost obnovy napětí se pod vlivem zařízení pro potlačení oblouku zvyšuje, což pomáhá spolehlivě zhasnout oblouk a snížit pravděpodobnost znovuzapálení oblouku, čímž se snižuje počet elektrických incidentů a efektivně podporuje spolehlivou operaci zazemňování neutrálu.

(2) Během modernizace stávajících konvenčních přímých vedení a automatických blokovacích systémů, pokud kabelové linky (po nahrazení povětřových vodičů) představují významnou část, doporučuje se zvážit centrální nebo distribuovanou kompenzaci pomocí boxových reaktorů k kompenzaci induktivní reaktivní síly za normálních podmínek kapacitního proudu. Podle výsledků výpočtů v tabulce 2 jsou pracovní kapacitní hodnoty 0,22 μF/km pro hliníkový kabel o průřezu 70 mm² a 0,24 μF/km pro hliníkový kabel o průřezu 95 mm². Současně by měly být zváženy adaptivní úpravy rozvodoven a způsoby zazemňování napěťových stabilizátorů v rozvodnách na obou stranách by měly být upraveny podle vypočtených dat.

V extrémních případech, pokud je systém nezazemněn a používají se jednovodičové kabely – v souladu se standardy pro vysokorychlostní železnice – jednofázová zemská chyba nebude vyřešena během povoleného časového okna 2 hodin. To způsobuje nepřetržitý tepelný poškození kabelu. Kromě toho, po poškození jednovodičového kabelu má jeho dopad na sousední fáze relativně slabý, což situaci dále zhoršuje tím, že nedochází k aktivaci ochranného odpojení, což může snadno vést k systémovým selháním.

6. Závěr

V elektrických systémech konvenčních rychlostních železnic má volba metody zazemnění neutrálu přímý vliv na bezpečnost a stabilitu provozu systému. Nevhodná volba schématu zazemnění neutrálu může snadno vést ke sekundárním poruchám a kaskádovým incidentům. Pomocí výpočtů a srovnávacích analýz má komplexní a rozumná volba metody zazemnění neutrálu velký význam pro efektivní likvidaci poruch, ochranu izolace zařízení, zajištění spolehlivé trakční dodávky energie a zlepšení bezpečnosti osob a provozu vlaků.