Metode neutralnog zemljanja za električne sustave konvencionalnih željeznica
Željeznički sustavi snabdijevanja električnom energijom uglavnom se sastoje od linija automatskog blokiranja, propusnih linija za snabdevanje električnom energijom, željezničkih pretvoriteljskih stanica i distribucijskih stanica te linija ulaznog snabdevanja. Ovi sustavi osiguravaju električnu energiju ključnim željezničkim operacijama, uključujući signalizaciju, komunikacije, sustave vozila, rukovanje putnicima na stanicama i opreme za održavanje. Kao integralni dio nacionalne mreže snabdevanja električnom energijom, željeznički sustavi snabdevanja električnom energijom pokazuju specifične karakteristike kako elektrotehnike, tako i željezničke infrastrukture.
Jačanje istraživanja metoda neutralnog zemljanja za sustave snabdevanja električnom energijom konvencionalne brzine vožnje željeznice i njihova komprehensivna razmatranja tijekom dizajna, izgradnje i operacija imaju veliku važnost za poboljšanje sigurnosti i pouzdanosti snabdevanja električnom energijom na željeznicama.
1. Pregled metoda neutralnog zemljanja u željezničkim sustavima snabdevanja električnom energijom
Metode neutralnog zemljanja u željezničkim sustavima snabdevanja električnom energijom obično se odnose na konfiguraciju zemljanja transformatora - oblik funkcionalnog (radnog) zemljanja tesno povezan s naponskim nivoima, jednofaznim strujama krivice prema zemlji, nivoima prenapona i shemama reljefne zaštite. To je složena tehnička tema koja se može široko kategorizirati kao:
Nestrogano zemljani sustavi: uključuju nezemljane, zemljane sa dušikom (Petersenovom dušikom) i visokootporne zemljane sustave;
Strogano zemljani sustavi: uključuju direktno zemljanje i niskootporne zemljane sustave.
Snabdevanje električnom energijom iz nacionalne mreže za potrebe željeznice univerzalno koristi konfiguraciju bez zemljanja. Propusne linije iz željezničkih pretvoriteljskih stanica i distribucijskih stanica obično se priključuju direktno na sekundarnu busbar (smještena nakon ulazne busbare, ali prije regulacijskog napona), stoga također koriste sustav bez zemljanja. Za propusne linije, metoda zemljanja regulacijskog transformatora može se odabrati prema stvarnim potrebama.
Na razliku od sustava snabdevanja električnom energijom za visokobrzinsku željeznicu, koji često koriste niskootporne zemljane sustave, konvencionalni sustavi brzine vožnje željeznice uglavnom koriste konfiguracije bez zemljanja. Iako ovaj pristup ima određene prednosti, evolutivni standardi sigurnosti i nastavak tehničkih nadogradnji zahtijevaju ponovno vrednovanje strategija zemljanja u današnjem kontekstu operacija.
2. Prednosti i ograničenja sustava bez zemljanja
Prema Pravilniku o dizajnu željezničkog snabdevanja električnom energijom (TB 10008–2015), konfiguracija propusnih linija treba se odrediti temeljem pouzdanosti snabdevanja električnom energijom i specifičnih uvjeta projekta, koristeći kombinaciju površinskih i podzemnih kabelske linije ili potpuno podzemne kabelske linije.
Zbog ograničenja budžeta i tehničke mogućnosti, većina trenutno operativnih propusnih linija konvencionalne brzine vožnje željeznice uglavnom se oslanja na površinske provodnike ili dominirajuće površinske hibridne konfiguracije. Stoga, njihove sheme zemljanja obično koriste izolirano zemljanje (bez zemljanja) ili sustave s malim strujama zemljanja. Prema Članku 69 Pravilnika o upravljanju željezničkim snabdevanjem električnom energijom, jednofazne krivice prema zemlji u ovim sustavima moraju se riješiti ubrzo, s dopuštenim vremenom rada krivice obično manjim od 2 sati.
Operativni podaci određenog željezničkog odsjeka između siječnja i studenoga 2023. godine zabilježili su 152 ispadanja struje, od kojih su 15 bila povezana s otkazivanjem opreme (2 su bila posljedica internih odgovornosti, 13 vanjskih faktora). Značajno je da predstavljaju glavnu prijetnju stabilnosti površinskih linija, posebno zarastanje biljkama. U jednom incidentu grane drveća ušle su u zonu prostore, uzrokujući djelomičnu vezu faze prema zemlji na bočnom provodniku. Krivica je identificirana i riješena unutar 2-satnog vremenskog okvira, sprečavajući utjecaj na operacije vlakova i izbjegavajući lančane otkaze. To pokazuje da, uz postojeće tehničke uvjete, sustavi bez zemljanja nude praktične prednosti.
Međutim, kabelske linije predstavljaju različite izazove. U usporedbi s površinskim linijama, kabelske linije imaju niže margine izolacije i ograničenu toleranciju prema prenaponima. Tijekom jednofazne krivice prema zemlji u sustavu bez zemljanja, naponi zdravih faza porastu iznad normalnih nivoa napona faza prema zemlji - potencijalno dosezući napon među fazama - povećavajući rizik od višetochkih otkaza izolacije u nekrivim fazama. Nadalje, kapacitivne struje krivice prema zemlji u kabelskim sustavima su relativno velike, što dovodi do brzog degradacije izolacije na točki krivice i visoke vjerojatnosti da se razvije u međufazne kratke spojeve.
Kako su kabeli obično instalirani putem zakopavanja, cjevovoda ili polica, lokacija krivice je teška. U kombinaciji s ograničenjima tehničkih postupaka spajanja kabela, logistikom popravaka i operativnim vremenskim okvirima željeznice, takve krivice često se ne mogu riješiti brzo. Na praksi, otkazi kabela uglavnom su posljedica trajne degradacije izolacije - organske materijale izolacije ne mogu se samostalno oporaviti. U sustavu bez zemljanja, nedostatak odmahnutog ispadanja omogućuje dugotrajne struje krivice, što uzrokuje ozbiljne oštećenja izolacije, širi zonu krivice i potencijalno pokreće sekundarne probleme, poput alarma na zaslonu napajača ili čak "crvene trake" signala koje prekidaju usluge vlakova - ponekad rezultirajući dugotrajnim prekidima i značajnim sigurnosnim ili javno-relacijskim rizicima.
3. Odabir metoda neutralnog zemljanja za sustave snabdevanja električnom energijom konvencionalne brzine vožnje željeznice
Odabir odgovarajuće metode neutralnog zemljanja ključan je za stabilno funkcioniranje željezničkog snabdevanja električnom energijom. Ključni izazov leži u balansiranju:
Smanjenja nepotrebnih ispadanja uzrokovanih vanjskim smetnjama,
Osiguranja neprekidnog snabdevanja električnom energijom ključnih opterećenja,
Omogućavanja učinkovite zaštite od krivica,
Kontrole širenja krivica, i
Održavanja električne i izolacijske integriteta zdrave opreme tijekom krivica.
Prema Pravilniku o dizajnu željezničkog snabdevanja električnom energijom (TB 10008–2015), za 10(20) kV propusne linije snabdevane preko regulacijskih transformatora, vrijede sljedeći smjernici zemljanja:
Ako je jednofazni kapacitivni strujni krug ≤ 10 A, treba koristiti neizražen sustav.
Ako je struja ≤ 150 A, mogu se primijeniti ili niskoodorno izraženje ili izraženje putem cewke za potlačenje lukova; ako je > 150 A, preporučuje se niskoodorno izraženje.
Potpuno kabelske linije trebale bi koristiti niskoodorno izraženje.
Za niskoodorno izraženje, otpornik treba odabrati tako da jednofazna struja u zemlji iznosi 200–400 A, s trenutnim isključivanjem pri otkrivanju kvara.
U suprotnosti, Pravilnik o dizajnu visokobrzih željeznica (TB 10621–2014) dopušta neizražene neutralne sustave kada je jednofazni kapacitivni strujni krug ≤ 30 A, s kompenzacijom putem reaktora neutral-zemlja.
Na temelju izračuna iz standardnih priručnika za električne inženjere na željeznicama, maksimalne dopustive duljine kabela za uobičajene aluminijumsrđave kable (pretinske površine 70 mm² i 95 mm²) koja odgovaraju jednofaznim kapacitivnim strujama u zemlji od 10 A, 30 A, 60 A, 100 A i 150 A su sažete u tablici 1. Ovi podaci mogu voditi u odabir odgovarajuće metode izraženja na osnovu stvarne duljine kabela.
Broj Kapacitivni strujni jednofazni zemljni tok trožilnog kabela (A) Prosječni kapacitivni tok trožilnog kabela presjeka 70 mm² (A/km) Odgovarajuća duljina kabela (km) Prosječni kapacitivni tok trožilnog kabela presjeka 95 mm² (A/km) Odgovarajuća duljina kabela (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 Zemljenje preko neutralnog točka omogućuje brzo uklanjanje kvara. Nultostrujna zaštita može djelovati unutar 0,2–2,0 sekunde kako bi izolirala kvar, smanjujući vjerojatnost sekundarnih trajnih električnih incidenta i zaštitivši pouzdanost i životni vijek izolacije električne opreme.
4. Usporedba uobičajenih metoda zemljenja neutralnog točka
4.1 Sustav bez zemljenja neutralnog točka
Metoda bez zemljenja neutralnog točka nudi prednost neprekinute snabdjeve strujom tijekom 1-2 sata pri pojedinačnim fazonim kvarovima na linijama dominantiranim površinskim vodovima. Međutim, na linijama dominantiranim kabelima, ova metoda često dovodi do eskalacije kvara.
4.2 Zemljenje neutralnog točka preko cijevi za potiskivanje lukova
U usporedbi s sustavom bez zemljenja neutralnog točka, ova metoda koristi induktivni struj cijevi za potiskivanje lukova kako bi kompenzirala kapacitivni struj, smanjujući struj kvara na razinu koja se može samoodrijeti, time smanjujući pretensione nadnapone uzrokovane lukovima. Također dopušta neprekinutu radnju tijekom 1-2 sata pri pojedinačnim fazonim kvarovima i sprečava da pojedinačni kvari razviju se u međufazne kvari. Međutim, ova metoda postavlja više zahtjeva na zaštitu od kvarova, ne može identificirati kvarnu liniju, podložna je rezonanciji i ne može efikasno isprazniti ostatak napona na liniji.
4.3 Zemljenje neutralnog točka preko niske otpornosti
Na linijama dominantiranim kabelima, metoda zemljenja preko niske otpornosti efikasno kontrolira pretensione nadnapone uzrokovane lukovima pri pojedinačnim fazonim kvarovima, smanjuje rezonantne nadnapone sustava, pruža dobre efekte ograničavanja struja i smanjivanja napona, te nudi relativno visoku performansu zaštite od nultostrujnog prekomjera, omogućujući pravo vrijeme eliminacije kvara. Međutim, ova metoda ima ograničenja, posebno na dijelovima površinskih vodova: povećana frekvencija skakanja utječe na rad električnog sustava, oslabljuje sposobnost snabdjeve strujom i do neke mjere povećava težine održavanja opreme.
5. Rasprava o metodama zemljenja neutralnog točka u električnim sustavima za željeznice
(1) Unaprijediti uporabu uređaja za automatsko praćenje cijevi za potiskivanje lukova. Ovaj pristup ima prednost automatskog uklanjanja privremene početne kvara u električnom sustavu, smanjujući broj skokova. Kada se generira signal alarma o kvaru, automatska cijev za potiskivanje lukova generira odgovarajući kompenzacijski struj, omogućujući ponovno kompenziranje električne linije. To smanjuje pojavu kratkoskružnih kvara među tri faze i osigurava stabilnost i sigurnost sustava. U isto vrijeme, budući da uređaj za potiskivanje lukova ima specifičnu kritičnu vrijednost za gašenje luka, ako je struja kvara manja od ove kritične vrijednosti, brzina oporavka napona povećava se pod utjecajem uređaja za potiskivanje lukova, pomažući pouzdano gašenje luka i smanjujući vjerojatnost ponovnog zapaljenja luka, smanjujući električne incidente i efikasno podržavajući pouzdanu operaciju zemljenja neutralnog točka.
(2) Tijekom obnove postojećih konvencionalnih propusnih vodova i automatiziranih blokirajućih signali, ako kabelske linije—nakon zamjene površinskih vodova—predstavljaju značajan udio, preporučljivo je razmotriti centralizirano ili distribuirano kompenziranje koristeći kutije reaktora kako bi se kompenzirala induktivna reaktivna snaga u normalnim uvjetima kapacitivnog struja. Prema rezultatima izračuna u Tablici 2, radne kapacitivne vrijednosti su 0,22 μF/km za aluminijasti vod promjera 70 mm² i 0,24 μF/km za aluminijasti vod promjera 95 mm². U isto vrijeme, trebalo bi razmotriti prilagodbu raspodijeliteljnih soba, te prilagoditi metode zemljenja neutralnog točka regulacija napona u raspodijeliteljnim sobama na obje strane na temelju izračunatih podataka.
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 U ekstremnim slučajevima, ako je sustav neizoliran i koriste se jednosječivni kabeli u skladu s standardima za visokobrzinske pruge, jednofazni zemljani krh neće biti otklonjen unutar dopuštenog vremenskog prozora od 2 sata. To uzrokuje kontinuiranu toplinsku oštećenja kabela. Nadalje, nakon oštećenja jednosječivnog kabela, njegov utjecaj na susjedne faze je relativno slaba, što dodatno pogoršava situaciju jer ne aktivira zaštitni prekid, što lako može dovesti do sustavnih propada.
6. Zaključak
U elektroenergetskim sustavima konvencionalnih željeznica, izbor metode neutralne izolacije direktno utječe na sigurnost i stabilnost rada sustava. Nepravilna metoda neutralne izolacije lako može dovesti do sekundarnih grešaka i lančanih incidenta. Kroz izračune i usporednu analizu, kompletan i racionalan izbor metode neutralne izolacije ima veliku važnost za efikasno otklanjanje grešaka, zaštitu izolacije opreme, osiguranje pouzdanog snabdijevanja trakcijskom strujom te povećanje sigurnosti osoblja i operacija vlakova.
