Tavalise kiirusega raudteeenergiaüsteemide neutraalne maandamine

Raudteeenergiasideed koosnevad peamiselt automaatsete blokksignaalide joonest, läbitulekahjuliste võrgujadest, raudteealammajadest ja jaotusstatsonidest ning sissetulevatest elektrivõrgust. Nad tagavad elektri kriitilistele raudteetegevustele, sealhulgas signaalsüsteemidele, kommunikatsioonile, vedurisüsteemidele, jaama reisijaüldiste teenuste ja hoolduse üksuste toimimiseks. Kui osa riiklikust elektrivõrgust, omavad raudteeenergiasideed nii elektritehnika kui ka raudteeinfrastruktuuri erilisi omadusi.

Tavaliste kiirusga raudteeenergiasideede neutraali maandamismeetodite uurimise tugevdamine ja nende arvesse võtmine projekteerimisel, ehitamisel ja kasutamisel on väga oluline raudteeenergiavarustuse ohutuse ja usaldusväärsuse suurendamiseks.

1. Raudteeenergiasideede neutraali maandamismeetodite ülevaade

Raudteeenergiasideede neutraali maandamismeetod viitab tavaliselt transformatorkonfiguratsioonile – see on funktsionaalne (töö) maandamine, mis on tihealt seotud pingetasandiga, ühefaasi maapinna veaga, ülepingega ja relväringluse skeemidega. See on keeruline tehniline küsimus, mida saab laialdaselt kategoriseerida järgmiselt:

• Mittekindlad maandamissüsteemid: sealhulgas mittemaandatud, vooluva korgi (Peterseni korgi) maandatud ja kõrge vastupanuga maandatud süsteemid;

• Kindlad maandamissüsteemid: sealhulgas otse maandatud ja madala vastupanuga maandatud süsteemid.

Riiklikust elektrivõrgust raudteedele tarnitav energia kasutab universaalselt mittemaandatud neutraalset konfiguratsiooni. Raudteealammajadest ja jaotusstatsonidest väljuvad varustusjooned on tavaliselt otseselt ühendatud teisessasse busbaari (asub sissetuleva energiabussi järel, enne pingeregulaatorit), nii et need samuti kasutavad mittemaandatud neutraalset süsteemi. Läbitulekahjuliste joonte puhul võib pingeregulaatorit vastavalt tegelikele vajadustele valmistada maandamismeetodiga.

Kõrghiirega raudteeenergiasideed, mis tavaliselt kasutavad madala vastupanuga maandamist, erinevalt tavaliste kiirusga raudteeenergiasideedest, mis põhiliselt kasutavad mittemaandatud neutraalset konfiguratsiooni. Kuigi see meetod pakub mõnda eelist, soovitatakse maandamisstrateegiaid tänapäeva operatiivolukorras uuesti hindada, arvestades evoluteeruvaid ohutusstandardi ja järjestekkuid tehnoloogilisi uuendusi.

2. Mittemaandatud neutraalsüsteemide eelised ja piirangud

Kooskõlas Raudteeenergia projekteerimise reeglitega (TB 10008–2015) peaks läbitulekahjuliste joontevahendite konfiguratsioon olema määratud vastavalt elektrivarustuse usaldusväärsusele ja projektispetsiifilistele tingimustele, kasutades kas õhupind-kabe hübriidiline või täiesti allpoolmaapind kabe joontevahendite.

Eelarvepiirangute ja tehnilise kohandatavuse tõttu kasutavad praegu enamik tavaliste kiirusga raudteede läbitulekahjulisi joontevahendeid peamiselt õhupinna juhtmeid või õhupinna domineerivaid hübriidkonfiguratsioone. Seega kasutavad nende neutraali maandamissüsteemid tavaliselt mittemaandatud või väikeste vooludega maandatud süsteeme. Raudteeenergia haldamise reeglite artikli 69 järgi tuleb sellistes süsteemides ühefaasi maapinnavigastusi viivitamatult lahendada, lubatud vigase tööaeg ei pea ületama 2 tundi.

Mõne raudteebüroo segmenti tööandmed jaanuarist oktoobrinikuni 2023 näitasid 152 energiatõrke, millest 15 oli seotud seadmetega (2 sisepärase, 13 välispärase). Märgatavasti moodustas keskkonnatehingud, eriti taimestiku kasv, peamise ohtu õhupinna juhtmete stabiilsusele. Ühes juhusel sattus puuoksa läheduspiirkonda, tekitades osalise faas-maaühenduse külgsel juhtmel. Vigastus tuvastati ja lahendati 2 tunni perioodil, vältides rongiliikluste mõju ja kummardamist. See näitab, et olemasolevatel tehnilistel tingimustel pakuvad mittemaandatud neutraalsüsteemid praktilisi eeliseid.

Kuid kabe joontevahendid esitavad erinevaid väljakutseid. Võrreldes õhupinna joontevahenditega, on kabe joontevahendite isoleerimisraadius ja ülepingu kannatlikkus väiksem. Ühefaasi maapinnavigastuse korral mittemaandatud süsteemis tõusevad terviklike faaside pingud üle normaalse faasi-maa taseme, mis võib jõuda fasa-faasi tasemeni, suurendades mitmepunktsete isoleerimisvigastuste riski vigastusest eemale. Lisaks on kabe joontevahendite kondensaatoripõhine maapinnavool suuruselt suur, mis viib kiiresti isoleerimise heakskiitmise vigastuspunktil ja suurendab fasa-faasi lühikeseid kõrvalejäämise riski.

Kuna kabed on tavaliselt paigaldatud mahdelduna, putukas või laua meetodiga, on vigastuse asukoht raske tuvastada. Koos kabe ühendamise tehnikate, remondilogistikaga ja raudteeoperatsioonide aknatega, ei saa selliseid vigastusi sageli kiiresti lahendada. Praktikas on kabe vigastused peamiselt tingitud püsiva isoleerimisvigastusest – orgaanilised isoleerimismaterjalid ei saa ennast taastada. Mittemaandatud süsteemis, kus otsene katkestus puudub, võimaldab pikaajaline vigastusevool põhjustada tõsise isoleerimisvigastuse, laiendada vigastusala ja võimaldada tekkida teistmoodi probleemidena, nagu energianäitaja häire või isegi "punane silt" signaalide vigastused, mis takistavad rongiliiklust – mõnikord pikaajaliste katkestuste ja olulist ohutus- või avalikkusrelvade riskiga.

3. Tavaliste kiirusga raudteeenergiasideede neutraali maandamismeetodite valik

Sobiva neutraali maandamismeetodi valimine on kriitiline raudteeenergiavarustuse stabiilsuse tagamiseks. Põhiline väljakutse seisneb järgmises tasakaalus:

• Vähendada ebatähtsa katkestuse sagedust, mida tekitavad välised segadused,

• Tagada kriitiliste koormuste järjepidev elektrivarustus,

• Lubada tõhus vigastusekaitse,

• Kontrollida vigastuse levikut, ja

• Hoida terviklike seadmete elektrilist ja isoleerimisintegritüüti vigastuste ajal.

Kooskõlas Raudteeenergia projekteerimise reeglitega (TB 10008–2015) kehtivad 10(20) kV läbitulekahjuliste joontevahendite puhul, mis on varustatud pingeregulaatoritega, järgmised maandamisjuhised:

• • Kui ühefaasi maapinnaaluse kapatsitivne vool ≤ 10 A, tuleks kasutada maamata süsteemi.

  • Kui vool ≤ 150 A, võib kasutada nii madala vastusega maandamist kui ka lõkkesupressioonikraani maandamist; kui > 150 A, soovitatakse madala vastusega maandamist.

  • Täisjuhtmeid kasutavatele liinidele tuleks eelistada madala vastusega maandamist.

  • Madala vastusega maandamisel tuleks valmistada maapinnaaluse takistaja, mis annab ühefaasilise maapinnaaluse 200–400 A suuruseks, ning välja lülituda kohe vea tuvastamisel.

  Vastupidiselt sellele lubab Kõrgh kiirgateri projekteerimiseeskiri (TB 10621–2014) maamata neutraalsüsteeme, kui maapinnaaluse kapatsitivne vool ≤ 30 A, ja kompenseerida seda neutraali maandatud reaktoriga.

  Standardsete raudteeenergeetika teadmuste raamatute arvutuste põhjal on kokku võetud Tabelisse 1 levinud aluminiumpõhiste juhtmete (70 mm² ja 95 mm² läbimõõtudega) maksimaalsed lubatud pikkused, mis vastavad ühefaasilisele maapinnaalusele 10 A, 30 A, 60 A, 100 A ja 150 A. Need väärtused võivad juhendada sobiva maandamismeetodi valikut tegeliku juhtmepikkuse järgi.

  Järjekorranumber	Ühefaasi maandusvool kolmepaasis kabelis (A)	Keskmine kapatsiivne vool kolmepaasis 70 mm² lõiguga kabelis (A/km)	Vastav kaabe pikkus (km)	Keskmine kapatsiivne vool kolmepaasis 95 mm² lõiguga kabelis (A/km)	Vastav kaabe pikkus (km)
  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

  Nullpunkt kaudu maandamine võimaldab kiiret vea tuvastamist ja likvideerimist. Nulljärjestikune kaitse saab tööle 0,2–2,0 sekundi jooksul, et isoleerida viga, vähendades seeläbi teiste järgnevate püsivate elektriliste incidentide tõenäosust ja kaitstes elektriseadmete eristusvõime usaldusväärsust ja kasutusaega.

  4. Levinud neutraalmaandamismeetodite võrdlus

  4.1 Maamata neutraalsüsteem

  Maamata neutraalmeetod pakub eeliseid nagu 1–2 tunnikuks jätkuv elektri toomine ühefaasi maavigade korral, kui joontes on eelistatud õhutilgud. Kuid kaabeldomineerivates joontes võib see meetod viia vigade laienemiseni.

  4.2 Neutraali maandamine läbipõletuse takistava keha kaudu

  Võrreldes maamata neutraalsüsteemi selle meetodi kasutab läbipõletuse takistava keha induktiivset voolu, et kompenseerida kapasitiivset voolu, vähendades maavigavoolu taseme, mis suudab ise lükata, nii vähendades plaksaleebiku põhjustatud ülepinge. See võimaldab 1–2 tunnikuks jätkuvat toimimist ühefaasi maavigade korral ja takistab ühefaasilisi vigu areneda faasisüsteemidesse. Siiski nõuab see meetod kõrgemat nõuet maavigakaitsele, ei suuda tuvastada vigase joone, on resoonantsile altunud ning ei suuda efektiivselt lahendada joone residuaalseid laenguid.

  4.3 Neutraali maandamine madala vastikuga

  Kaabeldomineerivates joontes võimaldab madala vastikuga maandamismeetod efektivselt kontrollida plaksaleebiku ülepinge ühefaasi maavigade korral, takistab süsteemi resoonantsülepinge, pakub hea voolu piiramise ja pingevähenduse mõju, ja pakkub suhteliselt kõrget nulljärjestikuse ülevoolukaitse jõudlust, aidates ajaliselt vigade likvideerimisel. Siiski on sellel meetodil piiranguid, eriti õhutilgudega osadel: suurendatud katkemiste sagedus mõjutab elektrisüsteemi toimimist, nõrgendab elektri tootmise võimet ja tõstab seadmete hooldamise raskust mingil määral.

  5. Raudteeenergia süsteemide neutraalmaandamismeetodite arutelu

  (1) Tugevdage automaatse jälgimise ja läbipõletuse takistava keha seadmete kasutamist. See lähenemine omab eeliseid nagu energiasüsteemi ajutiste maavigade automaatne eemaldamine, vähendades nii katkemiste arvu. Kui väljastatakse vigade alarmisignaal, genereerib automaatne jälgimise ja läbipõletuse takistava keha vastava kompenseeriva voolu, lubades elektrijoone uuesti kompenseerida. See vähendab kolme faasi vaheliste lühikute juhtide esinemist ja tagab süsteemi stabiilsuse ja ohutuse. Samas, kuna läbipõletuse takistav seade omab konkreetset põletuse lõpetamise kriitilist väärtust, siis kui maavigavool on väiksem kui see kriitiline väärtus, suureneb pinge taastumise kiirus läbipõletuse takistava seadme toimel, aidates põletuse kindlalt lõpetada ja vähendades põletuse uuesti sündimise tõenäosust, mis vähendab elektriviike ja toetab usaldusväärset neutraalmaandamist.

  (2) Olemasolevate tavakiirusel läbitavate ja automaatse blokeeringujoonte moderniseerimisel, kui kaabelte (põhja-õhutilgude asendamisel) osakaal on oluline, soovitatakse kaaluda keskpunktlikku või hajutatud kompensatsiooni kasutades kapslitüübilisi reaktorit, et kompenseerida induktiivset reaktiivset võimu normaalsel kapasitiivvooluolukorral. Järgides tabeli 2 arvutustulemusi, on töötamispindkapasitatsioonid 0,22 μF/km 70 mm² alumiiniumtõmbekabeeli jaoks ning 0,24 μF/km 95 mm² alumiiniumtõmbekabeeli jaoks. Samas tuleks kaaluda jaotusruumide kohandusi, ja vastavalt arvutustulemustele kohandada neutraalmaandamismeetodeid jaotusruumides olevatel reguleerijatel.

  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

  Tüüpilistes olukordades, kui süsteem on mitte-maandatud ja kasutatakse ühejuhilisi kaabeleid, mis vastavad kõrghõõgvahestandarditele, siis ühefaasi maapuute juhul ei kustutata seda lubatud 2-tunnise aknaga. See põhjustab kaabele jätkuvat soojenduslikku kahju. Lisaks sellele, pärast ühejuhilise kaabele kahjustumist on selle mõju naaberfaasidele suhteliselt nõrgem, mis veelgi halvendab olukorda, kuna see ei aktiveeri kaitsekummardamist, mis võib lihtsasti viia süsteemsete pettuste juurde.

  6. Järeldused

  Tavaliste kiiruslike raudteeenergia süsteemides mõjutab neutraalmaa maandamismeetodi valik otse süsteemi töökindlust ja stabiilsust. Sobimatuse neutraalmaa maandamisskeemi valik võib lihtsasti viia teistmoodi pettusteni ja kaskade sündmusteni. Arvutamiste ja võrdlusanalüüsi kaudu on neutraalmaa maandamismeetodi ülevaatega põhjalik ja mõistlik valik suure tähtsusega pettuste tõhusaks kustutamiseks, seadmete isoleerimise kaitseks, usaldusväärse traktsioonivõrgu tagamiseks ning töötajate ja rongide ohutuse parandamiseks.