Parastādības metodes tradicionālajiem dzelzceļa enerģijas sistēmām
Dzelzceļa elektroapgādes sistēmas galvenokārt sastāv no automātiskām bloķēšanas signālizācijas līnijām, caurteces barošanas līnijām, dzelzceļa transformatorstacijām un sadalīšanas stacijām, kā arī ieejas elektroapgādes līnijām. Tās nodrošina elektroenerģiju būtiskām dzelzceļa darbībām – tostarp signālizācijai, sakariem, kustības sastāva sistēmām, pasažieru apkalpošanai stacijās un uzturēšanas iekārtām. Kā neatņemama valsts elektrotīkla daļa, dzelzceļa elektroapgādes sistēmas demonstrē raksturīgas pazīmes gan elektrisko enerģētikas, gan dzelzceļa infrastruktūras jomā.
Pētniecības stiprināšana par neitrālās zemes metodēm konvencionālā ātruma dzelzceļa elektroapgādes sistēmās – kā arī šo metožu vispusēja ņemšana vērā projektēšanas, būvniecības un ekspluatācijas laikā – ir ļoti nozīmīga, lai uzlabotu dzelzceļa elektroapgādes drošību un uzticamību.
1. Neitrālās zemes metožu pārskats dzelzceļa elektroapgādes sistēmās
Neitrālās zemes metode dzelzceļa elektroapgādes sistēmās parasti attiecas uz transformatoru zemējuma konfigurāciju – funkcionāla (darba) zemējuma veida, kas cieši saistīts ar sprieguma līmeni, vienfāzes zemes bojājumu strāvu, pārspriegumiem un releju aizsardzības shēmām. Tas ir sarežģīts tehnisks jautājums, ko var plaši klasificēt šādi:
Necieti zemētas sistēmas: tostarp nezemētas, loka dzēšanas spoles (Petersena spoles) zemētas un augsta pretestības zemētas sistēmas;
Cieti zemētas sistēmas: tostarp tiešās zemēšanas un zemas pretestības zemēšanas.
No valsts tīkla uz dzelzceļu piegādātā elektroenerģija vispārīgi izmanto nezemētu neitrālo konfigurāciju. Barošanas līnijas no dzelzceļa transformatorstacijām un sadalīšanas stacijām parasti tiek atdalītas tieši no sekundārā sadales paneļa (atrodas pēc ieejas enerģijas sadales paneļa, bet pirms sprieguma regulētāja), tāpēc tās arī izmanto nezemētu neitrālo sistēmu. Caurteces barošanas līnijām sprieguma regulētāja zemējuma metodi var izvēlēties atkarībā no faktiskajām vajadzībām.
Atšķirībā no augstā ātruma dzelzceļa elektroapgādes sistēmām – kurās parasti izmanto zemas pretestības zemēšanu – konvencionālā ātruma dzelzceļa sistēmas galvenokārt izmanto nezemētas neitrālās konfigurācijas. Lai gan šim risinājumam ir noteikti priekšrocības, mainīgie drošības standarti un nepārtraukta tehnoloģiju modernizācija liecina, ka šobrīd ekspluatācijas kontekstā ir jāpārvērtē zemēšanas stratēģijas.
2. Nezemētu neitrālo sistēmu priekšrocības un ierobežojumi
Saskaņā ar Dzelzceļa elektroapgādes projektēšanas normām (TB 10008–2015) caurteces barošanas līniju konfigurācija jānosaka, balstoties uz elektroapgādes uzticamību un projekta specifiskajiem apstākļiem, izmantojot vai nu gaisvadu un kabeļu hibrīda līnijas, vai pilnībā zemē kabeļa līnijas.
Finansiālu ierobežojumu un tehniskās iespējamības dēļ lielākā daļa ekspluatācijā esošo konvencionālā ātruma dzelzceļa caurteces barošanas līniju pašreiz balstās galvenokārt uz gaisvadiem vai dominējoši gaisvadu hibrīda konfigurācijām. Tāpēc to neitrālās zemes shēmas parasti izmanto izolētu neitrālo (nezemētu) vai mazstrāvas zemes sistēmas. Saskaņā ar 69. pantu Dzelzceļa elektroapgādes vadības noteikumos, šādās sistēmās vienfāzes zemes bojājumi jānovērš operatīvi, pieļaujamais bojājumu ekspluatācijas laiks parasti nedrīkst pārsniegt 2 stundas.
Operatīvie dati no konkrētas dzelzceļa pārvaldes posma no janvāra līdz oktobrim 2023. gadā reģistrēja 152 strāvas izslēgšanos, no kurām 15 bija saistītas ar iekārtu atteicēm (2 saistītas ar iekšējiem vainas gadījumiem, 13 ar ārējiem faktoriem). Ievērojams, ka vides riski – jo īpaši veģetācijas iespiešanās – rada galveno draudu gaisvadu stabilitātei. Vienā incidentā koka zari iespiedās brīvajā zonā, radot daļēju fāzes pieskārienu zemei blakus vadītājam. Bojājums tika identificēts un novērsts 2 stundu laikā, novēršot jebkādu ietekmi uz vilcienu darbību un izvairoties no kaskādes veida atteicēm. Tas apliecina, ka pašreizējos tehniskajos apstākļos nezemētas neitrālās sistēmas sniedz praktiskas priekšrocības.
Tomēr kabeļlīnijas rada citādas problēmas. Salīdzinājumā ar gaisvadiem, elektrokabeļiem ir zemāks izolācijas rezervis un ierobežota pārspriegumu izturība. Viensfāzes zemes bojājuma laikā nezemētā sistēmā veselo fāžu spriegumi paaugstinās virs normālā fāzes pret zemi līmeņa – potenciāli sasniedzot līnijas pret līniju spriegumu – palielinot vairāku punktu izolācijas sadalīšanās risku nesaistītajās fāzēs. Turklāt kapacitatīvās zemes bojājuma strāvas kabeļsistēmās ir salīdzinoši lielas, kas rada strauju izolācijas degradāciju bojājuma vietā un lielu varbūtību, ka tas attīstīsies par fāzi pret fāzi īssavienojumu.
Tā kā kabeļi parasti tiek instalēti, izmantojot ierakto, cauruļvada vai kabeļu grozu metodi, bojājumu lokalizēšana ir grūta. Kopā ar ierobežojumiem kabeļu savienošanas tehnoloģijās, remonta loģistikā un dzelzceļa darbības logā, šādi bojājumi bieži nevar tikt novērsti ātri. Praksē kabeļu atteices galvenokārt ir saistītas ar pastāvīgu izolācijas sadalīšanos – organiskās izolācijas materiāli nevar atjaunoties paši. Nezemētā sistēmā trūkst momentānas izslēgšanās, kas ļauj ilgstošām bojājuma strāvām, izraisot smagus izolācijas bojājumus, paplašinot bojājuma zonu un potenciāli izraisot sekundāras problēmas, piemēram, elektroenerģijas ekrāna trauksmes vai pat „sarkanā josla“ signālizācijas atteices, kas traucē vilcienu darbību – dažreiz rezultējoties ilgstošā izslēgšanā un ievērojamā drošības vai sabiedriskās attiecību riskos.
3. Neitrālās zemes metožu izvēle konvencionālā ātruma dzelzceļa elektroapgādes sistēmām
Pareizas neitrālās zemes metodes izvēle ir būtiska stabila dzelzceļa elektroapgādes darbībai. Galvenais izaicinājums slēpjas līdzsvara panākšanā starp:
Minimizēt nevajadzīgas izslēgšanās, ko izraisa ārējie traucējumi,
nodrošināt nepārtrauktu barošanu būtiskajiem slodzēm,
efektīvu bojājumu aizsardzību,
kontrolēt bojājumu izplatīšanos, un
saglabāt elektrisko un izolācijas integritāti veselās iekārtās bojājumu laikā.
Saskaņā ar Dzelzceļa elektroapgādes projektēšanas normām (TB 10008–2015), 10(20) kV caurteces barošanas līnijām, kas tiek barotas caur sprieguma regulatoriem, piemēro šādas zemēšanas norādes:
Ja vienfazā gājiena strāvas kapacitīvā strāva ≤ 10 A, jāizmanto negrāmatēta sistēma.
Ja strāva ≤ 150 A, var izvēlēties zemas upitresistances grāmatošanu vai loksargājošas spuldzes grāmatošanu; ja > 150 A, ieteicams izvēlēties zemas upitresistances grāmatošanu.
Pilnībā kabeļu balstītās līnijām jāizmanto zemas upitresistances grāmatošana.
Zemas upitresistances grāmatošanai jāizvēlas upitresistora vērtība, lai vienfazā gājiena strāva būtu 200–400 A, ar tūlītēju atslēgšanu trūkuma novērošanas laikā.
Salīdzinājumā ar to, Augstā ātruma dzelzceļa projektes noteikumiem (TB 10621–2014) atļauts izmantot negrāmatētas neitrālās sistēmas, ja gājiena strāvas kapacitīvā strāva ≤ 30 A, ar kompensāciju, kas nodrošināta caur neitrāles grāmatošanas reaktoru.
Balstoties uz aprēķiniem no standarta dzelzceļa enerģētikas rokasgrāmatām, visbiežāk izmantoto alūminija kodolu kabeļu (70 mm² un 95 mm² šķērsgriezumi) maksimālie atļautie garumi, kas atbilst vienfazā gājiena strāvas kapacitīvajiem strāvām 10 A, 30 A, 60 A, 100 A un 150 A, ir apkopoti Tabulā 1. Šie rādītāji var kalpot kā vadlīnijas piemērotā grāmatošanas metodes izvēlei, pamatojoties uz faktiskajiem kabeļu garumiem.
Sērijas numurs Trīsleņu kābela vienfazējais zemes sakaru kapacitīvais strāvas (A) Vidējais kapacitīvais strāvas trīsleņu 70 mm² priekšrezģa kābela (A/km) Atbilstošais kābela garums (km) Vidējais kapacitīvais strāvas trīsleņu 95 mm² priekšrezģa kābela (A/km) Atbilstošais kābela garums (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 Apgriešanās caur nulles punktu ļauj strādāt ar greizumu, lai izbeigtu kļūdas. Nulles sekvences aizsardzība var darboties 0,2–2,0 sekunžu laikā, lai atdalītu kļūdu, samazinot iespējamību otrreizējiem pastāvīgiem elektriskiem incidentiem un aizsargājot enerģijas iekārtu izolācijas uzticamību un izmantošanas ilgumu.
4. Bieži sastopamu nulles apgriešanās metožu salīdzinājums
4.1 Neapgrieztā nulles sistēma
Neapgrieztā nulles metode piedāvā priekšrocību nepārtrauktai elektroenerģijas piegādei 1–2 stundas laikā pēc vienfases zemes kļūdas līnijās, kas ir dominētas ar gaisa vadiem. Tomēr, kabeļu dominētajās līnijās šī metode bieži rada kļūdu eskalāciju.
4.2 Nulles apgriešanās caur dzelmeizglābšanas spuldzi
Salīdzinājumā ar neapgrieztu nulles sistēmu šī metode izmanto dzelmeizglābšanas spuldzes induktīvo strāvu, lai kompensētu kapacitīvo strāvu, samazinot zemes kļūdas strāvi līmenī, kas var pašizmirzēt, tādējādi samazinot arku izraisītās pārsprieguma situācijas. Tā arī ļauj nepārtrauktu darbību 1–2 stundas laikā pēc vienfases zemes kļūdas un novērš vienfases kļūdu pārveidošanos par fāzes starpnieka kļūdām. Tomēr šī metode uzliek augstākas prasības zemes kļūdas aizsardzībai, nevar identificēt kļūdaino līniju, ir ieņemta rezonanses, un nevar efektīvi izlaist atlikušos lādiņus līnijā.
4.3 Nulles apgriešanās caur zemu pretestību
Kabeļu dominētajās līnijās zemas pretestības apgriešanās metode efektīvi kontrolē arku zemes pārsprieguma situācijas vienfases zemes kļūdas laikā, samazina sistēmas rezonanses pārspriegumu, sniedz labu strāvas ierobežojumu un sprieguma samazināšanas efektu, un piedāvā relatīvi augstu nulles sekvences pārspriedzenu aizsardzības veiktspēju, lai nodrošinātu laicīgu kļūdas izbeigšanu. Tomēr šī metode ir ierobežota, īpaši gaisa vada daļās: palielinātais trigerēšanas biežums ietekmē enerģijas sistēmas darbību, samazina enerģijas piegādes spēju un daudzām ierīcēm palielina uzturēšanas grūtības.
5. Diskusija par dzelzceļa enerģijas sistēmu nulles apgriešanās metodēm
(1) Palielināt automātisku dzelmeizglābšanas spuldzes ierīču izmantošanu. Šis pieejas veids piedāvā priekšrocību automātiski izbeidzot enerģijas sistēmā notikušas pagaidu zemes kļūdas, tādējādi samazinot trigerēšanas skaitu. Kad tiek izsniegts kļūdas brīdinājuma signāls, automātiskā dzelmeizglābšanas spuldze ģenerē atbilstošu kompensējošu strāvu, ļaujot enerģijas līnijai atkal kompensēt. Tas samazina trīsfāšu saites īslaicīgo kļūdu notikumu un nodrošina sistēmas stabilitāti un drošību. Tāpat, jo dzelmeizglābšanas ierīce ir specifiska dzelmes izmirzēšanas kritiskā vērtība, ja zemes kļūdas strāve ir mazāka par šo kritisko vērtību, sprieguma atjaunošanās ātrums palielinās dzelmeizglābšanas ierīces darbības dēļ, palīdzot uzticami izmirzēt dzelmi un samazinot dzelmes atkaluzglabšanās iespējamību, tādējādi samazinot enerģijas incidentus un efektīvi atbalstot uzticamu nulles apgriešanās operāciju.
(2) Esošo parastās ātruma caurvedes un automātiskā bloķēšanas signālu līniju modernizācijas laikā, ja kabeļu līnijas—pēc gaisa vada aizvietošanas—dominē lielāko daļu, ir ieteicams apsvērt koncentrētu vai sadalītu kompensāciju, izmantojot kastveida reaktorus, lai kompensētu induktīvo reaktivāko jaudu normālajā kapacitīvā strāvā. Saskaņā ar Tabulā 2 aprēķinātajiem datiem, darbības kapacitātes vērtības ir 0,22 μF/km 70 mm² alūminija kodolu kabeļam un 0,24 μF/km 95 mm² alūminija kodolu kabeļam. Līdzās tam, jāapsver adaptācijas maiņas el. stāvvietās, un el. stāvvietu abās pusēs iestatīto sprieguma regultoru nulles apgriešanās metodes jāpielāgo saskaņā ar aprēķinātajiem datiem.
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 Ekstrēmās situācijās, ja sistēma nav uz zemes un tiek izmantotas vienkabatas kabeles, kas atbilst augstas ātruma dzelzceļa standartiem, vienfazu zemes saite netiks izbeigta ierobežojamajā 2 stundu laikā. Tas rada pastāvīgu termisko kaitējumu kabelei. Turklāt, pēc vienkabatas kabeles bojājuma, tās ietekme uz blakus fāzēm ir salīdzinoši vāja, kas vēl vairāk pasliktina situāciju, nespējot aktivizēt aizsardzības triecienu, kas viegli var novest pie sistēmas kļūdām.
6. Secinājums
Parastā ātruma dzelzceļa enerģijas sistēmā neitrālās zemes saites metodes izvēle tieši ietekmē sistēmas darbības drošumu un stabilitāti. Nepareiza neitrālās zemes saites shēmas izvēle viegli var radīt sekundāras kļūdas un kaskādes incidentus. Aprēķinu un salīdzinājuma analīzes ceļā visaptveroša un racionāla neitrālās zemes saites metodes izvēle ir svarīga efektīvai kļūdu izbeigšanai, ierīču izolācijas aizsardzībai, uztveres enerģijas nodrošinājuma drošumam un gan personāla, gan dzelzceļa transporta drošības uzlabošanai.
