Қалыпты жылдамдықтағы темір жол энергетикалық жүйелері үшін нейтраль жердеу әдістері

Железнодорожные энергетические системы в основном состоят из автоматических блок-сигнальных линий, линий питания прямого подключения, железнодорожных подстанций и распределительных станций, а также линий входящего электропитания. Они обеспечивают электроэнергией ключевые железнодорожные операции, включая сигнализацию, связь, системы подвижного состава, обслуживание пассажиров на станциях и ремонтные объекты. Будучи неотъемлемой частью национальной энергосистемы, железнодорожные энергетические системы обладают специфическими характеристиками как электротехнического инженерного дела, так и железнодорожной инфраструктуры.

Усиление исследований методов нейтрального заземления для систем электроснабжения обычных железных дорог и всестороннее рассмотрение этих методов при проектировании, строительстве и эксплуатации имеют большое значение для повышения безопасности и надежности железнодорожного электроснабжения.

1. Обзор методов нейтрального заземления в железнодорожных энергетических системах

Метод нейтрального заземления в железнодорожных энергетических системах обычно относится к конфигурации заземления трансформаторов — это форма функционального (рабочего) заземления, тесно связанная с уровнем напряжения, однофазным током замыкания на землю, уровнями перенапряжения и схемами релейной защиты. Это сложный технический вопрос, который можно условно разделить на:

• Незакороченные системы: включая незаземленные, заземленные через дугогасительную катушку (катушка Петерсена) и высокоомные заземленные системы;

• Закороченные системы: включая прямое заземление и малоомное заземление.

Электроэнергия, поступающая от национальной сети к железным дорогам, обычно имеет незаземленную конфигурацию нейтрали. Линии питания, отходящие от железнодорожных подстанций и распределительных станций, обычно подключаются непосредственно к вторичной шине (расположенной после входящей шины питания, но перед регулятором напряжения), таким образом, также применяется система с незаземленной нейтралью. Для линий прямого подключения метод заземления регулирующего трансформатора может быть выбран в зависимости от фактических потребностей.

В отличие от систем электроснабжения высокоскоростных железных дорог, которые обычно используют малоомное заземление, системы обычных железных дорог в основном применяют незаземленные конфигурации нейтрали. Хотя этот подход имеет определенные преимущества, изменяющиеся стандарты безопасности и продолжающиеся технические усовершенствования требуют переоценки стратегий заземления в современных условиях эксплуатации.

2. Преимущества и ограничения систем с незаземленной нейтралью

Согласно Кодексу проектирования железнодорожного электроснабжения (TB 10008–2015), конфигурация линий прямого подключения должна определяться на основе надежности электроснабжения и конкретных условий проекта, используя либо гибридные линии с воздушными и кабельными участками, либо полностью подземные кабельные линии.

Из-за бюджетных ограничений и технической осуществимости большинство действующих линий прямого подключения обычных железных дорог в настоящее время в основном полагается на воздушные проводники или гибридные конфигурации, доминирующие воздушные. Следовательно, их схемы заземления нейтрали обычно используют изолированную нейтраль (незаземленную) или малотоковые системы заземления. В соответствии со статьей 69 Правил управления железнодорожным электроснабжением, однофазные замыкания на землю в таких системах должны быть устранены немедленно, допустимое время работы при отказе обычно не превышает 2 часов.

Операционные данные одного из отделений железнодорожного бюро за период с января по октябрь 2023 года показали 152 отключения электроэнергии, из которых 15 были связаны с отказами оборудования (2 из-за внутренней ответственности, 13 из-за внешних факторов). Отмечено, что основную угрозу стабильности воздушных линий представляют экологические опасности, особенно вторжение растительности. В одном случае ветви деревьев вторглись в зону охраняемого пространства, вызвав частичное замыкание фазы на землю на боковом проводнике. Отказ был обнаружен и устранен в течение 2-часового окна, предотвратив влияние на движение поездов и избегнув каскадных отказов. Это демонстрирует, что при существующих технических условиях системы с незаземленной нейтралью предлагают практические преимущества.

Однако кабельные линии представляют другие вызовы. По сравнению с воздушными линиями, силовые кабели имеют меньшие запасы изоляции и ограниченную переносимость перенапряжений. При однофазном замыкании на землю в системе с незаземленной нейтралью напряжения здоровых фаз повышаются выше нормальных значений фаза-земля, потенциально достигая межфазного напряжения, увеличивая риск многоточечного разрушения изоляции в независимых фазах. Кроме того, емкостные токи замыкания на землю в кабельных системах относительно велики, что приводит к быстрому старению изоляции в точке отказа и высокой вероятности развития фазовых коротких замыканий.

Поскольку кабели обычно устанавливаются путем закапывания, прокладки в трубах или коробах, определение местоположения отказа затруднено. В сочетании с ограничениями в техниках соединения кабелей, логистике ремонта и операционных окнах железных дорог такие отказы часто не могут быть быстро устранены. На практике отказы кабелей в основном связаны с постоянным разрушением изоляции, органические материалы изоляции не могут восстановиться самостоятельно. В системе с незаземленной нейтралью отсутствие немедленного отключения позволяет продолжительному току отказа, что приводит к серьезному повреждению изоляции, расширению зоны отказа и потенциальному вызову вторичных проблем, таких как тревоги на панели управления или даже «красные полосы» сигналов, нарушающих движение поездов, иногда приводящих к длительным отключениям и значительным рискам безопасности или общественных отношений.

3. Выбор методов нейтрального заземления для систем электроснабжения обычных железных дорог

Выбор соответствующего метода нейтрального заземления является критически важным для стабильной работы железнодорожного электроснабжения. Основная задача заключается в обеспечении баланса между:

• Минимизацией ненужных отключений, вызванных внешними помехами,

• Обеспечением непрерывного питания ключевых нагрузок,

• Эффективной защитой от отказов,

• Контролем распространения отказов, и

• Сохранением электрической и изоляционной целостности исправного оборудования при отказах.

Согласно Кодексу проектирования железнодорожного электроснабжения (TB 10008–2015), для линий прямого подключения 10(20) кВ, питаемых через регуляторы напряжения, применимы следующие рекомендации по заземлению:

• Егер бір фазалық жергі шығындық конденсаторлық ағым ≤ 10 А болса, земделмеген жүйе қолданылуы керек.

• Егер ағым ≤ 150 А болса, төмен қарсылықты земдеу немесе дуга-басу спиралымен земдеу қолданылған және егер > 150 А болса, төмен қарсылықты земдеу сұранылады.

• Толығымен кабельді сызықтарда төмен қарсылықты земдеу ұсынылады.

• Төмен қарсылықты земдеу үшін, земдеу резисторын 200–400 А бір фазалық жергі ағымына қолайлы таңдау керек, ол қателікті анықтағаннан кейін мезгілде төмендетуі тиіс.

Соңғыда, Жылдам Арбаның Дизайн Ережесі (TB 10621–2014) бір фазалық жергі шығындық конденсаторлық ағымы ≤ 30 А болғанда нейтральды земдеу жүйесін қолдануға рұқсат етеді, нейтральды земгеу реакторы арқылы компенсация беріледі.

Стандартты желдер энергетикасы қолмектерінің есептеріне сүйене отырып, 70 мм² және 95 мм² өлшемдерінің орташа алюминий нүктелі кабелдеріне сәйкес 10 А, 30 А, 60 А, 100 А және 150 А бір фазалық жергі шығындық конденсаторлық ағымдарына сәйкес максималды мүмкін болатын кабель ұзындықтары Бірінші таблицада жиналған. Бұл мәндер нақты кабель ұзындығына қарай қолайлы земдеу ықтималын таңдауға көмек етеді.

Нейтральдың арқылы жерге байланыстыру тез қату өшіруге мүмкіндік береді. Нөлдік реттік қорғау 0,2-2,0 секунд ішінде қатуға жол салу арқылы, екінші ретгі тоқты құбылыстардың болуының ықтималдығын азайтады және электр құрылғылардың изоляциясының денсаулығы мен пайдалану мерзімін қорғайды.

4. Кеңістікті нейтральды жерге байланыстыру әдістерінің салыстыруы

4.1 Жерге байланысқансыз нейтраль жүйесі

Жерге байланысқансыз нейтраль әдісі, қабырғалы сызықтарда бір фазалық жерге қату шартында 1-2 сағатқа дейін жалғасқан энергия қамтамасыз ету үшін ыңғайлы. Бірақ, кабельдік сызықтардың басымында ол әдіс қатуды арттыруға ыңғайлауы мүмкін.

4.2 Арка өшірүш спиралі арқылы нейтральды жерге байланыстыру

Жерге байланысқансыз нейтраль жүйесімен салыстырғанда, бұл әдіс арка өшірүш спиралінің индуктивті ағымын капацитивті ағым үшін компенсациялау арқылы, жерге қату ағымын өзін-өзі өшіруге мүмкіндік беретін деңгейге түсіреді, сонымен қатар, арканың әкелген өте артық напряжение өнімдерін азайтады. Ол 1-2 сағатқа дейін бір фазалық жерге қату шартында жалғасқан энергия қамтамасыз ету мүмкіндігін ұсынады және бір фазалық қатуларды екі фазалық қатуларға өтулерінен сақтауға мүмкіндік береді. Бірақ, бұл әдіс жерге қату қорғауға жоғары талаптар қойылады, қатулы сызықты анықтау мүмкіндігі жоқ, резонансқа ұшырайтыны және сызықтағы қалдық зарядтарды тиімді түрде шығару мүмкіндігі жоқ.

4.3 Төмен қарсылықпен нейтральды жерге байланыстыру

Кабельдік сызықтардың басымында, төмен қарсылықпен жерге байланыстыру әдісі бір фазалық жерге қату шартында арка-жер өте артық напряжение өнімдерін тиімді түрде басқарады, жүйенің резонанс өте артық напряжение өнімдерін басқарады, жақсы ағымды шектеу және напряжение төмендету өнімдерін ұсынады және нөлдік реттік өте ағым қорғау өнімдерінің деңгейі жоғары, сондықтан уақытша қату өшіру үшін ыңғайлы. Бірақ, бұл әдіс қабырғалы сызықтардағы қату шартында қозғалтқыштың қозғалуының санның артуына әкеледі, энергия қамтамасыз ету қабілетін әлсітереді және құрылғыларды пайдалану қиындығын бірқатар өсіреді.

5. Темір жол энергия жүйесі үшін нейтральды жерге байланыстыру әдістері туралы талқылау

(1) Автоматты трекинг арка өшірүш спиралі құрылғыларының қолданылуын жақсарту. Бұл әдіс энергия жүйесіндегі уақытша жерге қатуларды автоматты түрде өшіру үшін ыңғайлы, сонымен қатар, қозғалтқыштың санның азайтуына ыңғайлауы мүмкін. Қату хабарлау сигналы берілгенде, автоматты трекинг арка өшірүш спиралі сәйкес түрде компенсациялаушы ағым өнідейді, содан кейін энергия сызығын қайта компенсациялау мүмкін. Бұл үш фазадағы қысқа шот қатуларының болуын азайтады және жүйенің стабилдігі мен қауіптісіздігін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, арка өшірүш құрылғысының арка өшіру критикалық деңгейі бар, егер жерге қату ағымы бұл критикалық деңгейден төмен болса, арка өшірүш құрылғысының әсерінен напряжение қайта қалыптастыру жылдамдығы артады, сонымен қатар, арканы надежды түрде өшіруді және арканың қайта жарылуының ықтималдығын азайтады, сондықтан энергия қатуларының санын азайтады және нейтральды жерге байланыстыру үшін тиімді қамтамасыз ету мүмкіндігін ұсынады.

(2) Ағымғы адамзаттық жылдамдықтағы темір жол қабырғасы және автоматты блокировка сызықтарын жаңарту кезінде, егер қабырғалы сызықтарды кабельдік сызықтармен ауыстыру арқылы кабельдік сызықтардың өлшемі көп болса, бұйрықты реакторларды пайдалану арқылы біріктірілген немесе жарықтарын бөліп алған компенсациялау ұсынады. Нормаль капацитивті ағым шарттарында индуктивті реактивті ағымды компенсациялау үшін. Есептеу нәтижелеріне қарай, 70 мм² алюминий қабырғасында ғыбшырлық өлшемі 0,22 мкФ/км, 95 мм² алюминий қабырғасында ғыбшырлық өлшемі 0,24 мкФ/км. Сол сияқты, распределительдік кітапханалардың қолданылуына қатысты қабылдау қабілетін қарау қажет, распределительдік кітапханалардың екі жағындағы вольттестердің нейтральды жерге байланыстыру әдістерін есептеу маңызды әріптеріне қарай өзгерту қажет.

Жоғары жылдамдықтың стандарттарына сәйкес қолданылатын бір жұлу кабелдерімен және системаның жерге түсірген болмағанда, шырайы жағдайларда, бір фазалы жерге түсіру қатары 2 сағаттың мүмкін болатын уақыт аралығы ішінде тазаланбай қалады. Бұл кабелге сүзетін термодинамикалық зиянды жасайды. Осында, бір жұлу кабелінің өзгеріп кетуі негізгі тағы бір жұлуға жатқан тағы бір жұлуға әсер етеді, ол әдетте қорғалу триппингін басқаратын нәтижеге әкелмейді, бұл оңтайландыру қатарына әкелуге жөндеген.

6. Пысықтау

Құрама жылдамдықтың энергиялық жүйесінде, нейтраль жерге түсіру ықтималдығының таңдалуы жүйенің қауіпсіздігі мен стабилдігіне текті таасир етеді. Нейтраль жерге түсіру схемасының тура таңдалмауы екінші ретті қатары және кез-келген қатарына әкелуі мүмкін. Есептеулер мен салыстырмалык талдау арқылы, нейтраль жерге түсіру ықтималдығын толық және рационалды таңдау қатарларды тазалауды, жабдықтардың изоляциясын қорғауды, ишке қосу үшін нығайту қабілетін қамтамасыз ету және адамдар мен поезд операцияларының қауіпсіздігін жақсарту үшін маңызды.