Методи на нейтрална земја за системи за енергија на железници со обична брзина
Железнодорожни системи за енергија вистински се состојат од автоматски блок-сигнални линии, преносни линии за навод, железнодорожни подстанции и распределбени станции, како и входни линии за снабдување со енергија. Овие системи обезбедуваат електрична енергија за критични железнодорожни операции – вклучувајќи сигнализација, комуникации, системи за возила, управување со патници на станиците и инфраструктурата за одржба. Како интегрален дел од националната мрежа за енергија, железнодорожните системи за енергија имаат специфични карактеристики како на електроенергетската инженерска наука, така и на железнодорожната инфраструктура.
Изградбата на истражувања во методите на нулто земјување за системите за енергија на железници со стандардна брзина – и комплетно разгледување на овие методи при дизајн, изградба и функционирање – е многу значајна за подобрување на безопасноста и надежноста на снабдувањето со енергија на железниците.
1. Преглед на методите на нулто земјување во железнодорожните системи за енергија
Методот на нулто земјување во железнодорожните системи за енергија типично се однесува на конфигурацијата на земјување на трансформаторите – форма на функционално (работно) земјување којо е тесно поврзано со ниво на напон, једнофазен земјен дефект, ниво на прекомерен напон и шеми за реле заштита. Тоа е комплексен технички проблем кој може да се категоризира на:
Несолидно земјување: вклучува недозволено земјување, земјување со арк-супресионна котла (Петерсен котла) и земјување со голема резистенција;
Солидно земјување: вклучува директно земјување и земјување со ниска резистенција.
Енергијата доставена од националната мрежа до железниците уникатно користи некземплифицирано нулто земјување. Линиите за навод од железнодорожните подстанции и распределбени станции типично се поврзуваат директно од вторичната главна шина (находена по входната шина за напон, но пред регулаторот на напон), затоа исто така се применува систем со не-земјување. За преносните линии, методот на земјување на регулаторот на напон може да се избере според конкретните потреби.
Во спротивност на системите за енергија на високобрзински железници – кои често користат земјување со ниска резистенција – системите за енергија на железници со стандардна брзина веќе преобладувално користат конфигурации со не-земјување. Иако овој пристап нуди одредени предности, развиващите се стандарди за безбедност и продолжителните технички надградби го прават неопходно да се преповторно евалуираат стратегиите за земјување во днешниот оперативен контекст.
2. Предности и ограничувања на системите со не-земјување
Според Правилникот за дизајн на железнодорожна енергија (TB 10008–2015), конфигурацијата на преносните линии треба да се определува на основа на надежноста на снабдувањето со енергија и условите на проектот, користејќи или хибриден модел со високо-кабелско мешавање или целосно подземни кабелски линии.
Зборувајќи за бюджетски ограничувања и техничка физибилитет, повеќето оперативни преносни линии на железници со стандардна брзина моментално се оснаваат главно на надворешни проводници или доминантни хибридни конфигурации со надворешни проводници. Затоа, нивните шеми за нулто земјување типично користат изолирани-нулти (не-земјување) или системи со мал ток. Според член 69 од Правилникот за управување со железнодорожна енергија, једнофазните земјени дефекти во такви системи мора да се решат брзо, со дозволено време на дефект кој обично не надминува 2 часа.
Оперативните податоци од одреден сегмент на железнодорожен биро од јануари до октомври 2023 година запишани 152 прекини на енергија, од кои 15 беа дефекти поврзани со опремата (2 одговорливи на внатрешни фактори, 13 на надворешни фактори). Наглас, екологичните опасности – особено навладувањето на растителноста – претставуваат главната претница на стабилноста на надворешните линии. Во еден случај, гранки од дрво се забрли во зоната на клиренса, причинувајќи делумен контакт помеѓу фаза и земја на еден од проводниците. Дефектот беше идентифициран и решен во рамките на 2-часовиот временски период, што предизвика никакво влијание врз операциите на возовите и избегна каскадни дефекти. Ова демонстрира дека, под постојните технички услови, системите со не-земјување нудат практични предности.
Меѓутоа, кабелските линии претставуваат различни предизвици. Споредно со надворешните линии, кабелите за енергија имаат помала маргина на изолација и ограничена толеранција на прекомерен напон. Токму во случај на једнофазен земјен дефект во систем со не-земјување, напоните на здравите фази се повисуваат над нормалните нивоа на напон меѓу фаза и земја – потенцијално достигнувајќи напон меѓу фази – што зголемува ризикот од многуточкови колапси на изолацијата на незадевени фази. Повисоки капацитивни токови на земјен дефект во кабелски системи доведуваат до брза деградација на изолацијата на местото на дефект и висока веројатност за развиване во межуфазни кратки замкници.
Бидејќи кабелите типично се инсталираат преку заривени, канални или трешни методи, локализацијата на дефектите е тешка. Комбинирано со ограничувања во техники за спојување на кабели, логистика за поправка и оперативни прозорци на железниците, таквите дефекти често не можат да се решиат брзо. На практика, дефектите на кабели се претставуваат главно со перманентни колапси на изолацијата – органске материјали за изолација не можат да се само-востановат. Во систем со не-земјување, отсуството на немеднуто прекинување дозволува продолжен дефектен ток, што доведува до сериозни повреди на изолацијата, ширеење на зоната на дефект и потенцијално активирање на вторични проблеми како аларми на екранот за енергија или па "червен појас" на сигналите, што пречи на услугите на возовите – понекогаш доведува до долготрајни прекини и значајни ризици за безбедност или јавни односи.
3. Избор на методи за нулто земјување за системите за енергија на железници со стандардна брзина
Изборот на одговарачки метод на нулто земјување е критичен за стабилната работа на железнодорожната енергија. Ключниот предизвик е да се балансира:
Минимизирање на непотребните прекини причинети од надворешни возбуди,
Обезбедување на непрекината енергија до критични оптоварувања,
Овозможување на ефективна заштита против дефекти,
Контрола на проследувањето на дефектите, и
Одржување на електричната и изолационата целост на здравата опрема во време на дефекти.
Според Правилникот за дизајн на железнодорожна енергија (TB 10008–2015), за 10(20) kV преносни линии со снабдување преку регулатори на напон, следните насоки за земјување се применливи:
Ако јаѕната фазна-земјишна капацитивна струја ≤ 10 A, треба да се користи не-земјишт систем.
Ако струјата ≤ 150 A, може да се прифати низкоотпорно земјиштење или земјиштење со аркусниот коил; ако > 150 A, препорачливо е низкоотпорното земјиштење.
Повлекувачките линии целосно од кабели треба да се користат со низкоотпорно земјиштење.
За низкоотпорното земјиштење, отпорникот за земјиштење треба да се избере така што ќе се добие јаѕна фазна-земјишна струја од 200–400 A, со инстантан пресип на време при откривање на повреда.
Спротивно на тоа, Правилникот за дизајнирање на брзоплешни железници (TB 10621–2014) дозволува не-земјишти системи кога јаѕната фазна-земјишна капацитивна струја ≤ 30 A, со компензација подесена преку реактор за земјиштење на нейтралот.
Базирано на пресметки од стандардни ручници за железничка енергетика, максималните дозволени должини на кабелите за обични алуминиеви жици (сечиња од 70 мм² и 95 мм²) кои одговараат на јаѕни фазни-земјишни капацитивни струи од 10 A, 30 A, 60 A, 100 A и 150 A се сумираат во Табела 1. Овие вредности можат да ги направат можностите за избор на соодветна метода за земјиштење според фактичката должина на кабелот.
Пореден број Еднофазна земјишна капацитивна струја на три-жички кабел (А) Средна капацитивна струја на три-жички кабел со пресечна површина од 70 мм² (А/км) Одговарачка должина на кабелот (км) Средна капацитивна струја на три-жички кабел со пресечна површина од 95 мм² (А/км) Одговарачка должина на кабелот (км) 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 Земењето преку нултата точка овозможува брзо исправување на грешките. Заштитата против нултата последователност може да функционира во временски интервал од 0,2-2,0 секунди за изолација на грешката, што намалува веројатноста за вторични постојани електрични инциденти и заштитува надежноста и временското траење на електричната опрема.
4. Споредба на заеднички методи за земење на нултата точка
4.1 Систем со неземена нулта точка
Методот со неземена нулта точка нуди превземност на непрекинато снабдување со енергија од 1-2 часа при еднофазни грешки на земја во линии доминирани од високонапонски проводници. Меѓутоа, во линии доминирани со кабели, овој метод има тенденција да предизвика ескалација на грешките.
4.2 Земење на нултата точка преку аркуско потиснување
Во споредба со системот со неземена нулта точка, овој метод користи индуктивниот строј на аркуско потиснување за компензација на капацитетниот строј, што го намалува стројот на грешката на земја до ниво кој може самостојно да се угаси, со што се минимизира преогнесто напонување. Тоа исто така дозволува 1-2 часа непрекинато функционирање при еднофазни грешки на земја и спречува еднофазни грешки да се развиеат во фазно-фазни грешки. Меѓутоа, овој метод става повисоки барања на заштитата против грешки на земја, не може да идентификува грешната линија, е склонна на резонанса и не може ефективно да отстранува остаточни заряди во линијата.
4.3 Земење на нултата точка преку ниски отпор
Во линии доминирани со кабели, методот со ниски отпор ефективно контролира преогнесто напонување при еднофазни грешки на земја, подглушува системски резонантни преогнесто напонување, нуди добри ефекти на ограничување на стројот и намалување на напонот, и нуди относително високо перформанса на заштита против нултата последователност, што облеснува своевремено елиминирање на грешките. Меѓутоа, овој метод има ограничувања, особено во деловите со високонапонски проводници: зголемена фреквенција на прекинување влијае на операцијата на електричниот систем, слабее способноста за снабдување со енергија и до некоја степен зголемува тешкотиите во одржуването на опремата.
5. Расправа за методи за земење на нултата точка во електрични системи за железници
(1) Подобрување на употребата на автоматски следебни аркуско потиснување. Овој пристап има превземноста на автоматско елиминирање на транизонтни грешки на земја во електричниот систем, што намалува бројот на прекинувања. Кога се издаден сигнал за аларма за грешка, автоматскиот следебен аркуско потиснување генерира соодветен компензаторен строј, што овозможува повторна компензација на електричната линија. Ова намалува јавувањето на краткосрочни грешки меѓу три фази и гарантира стабилноста и безопасноста на системот. Во исто време, бидејќи уредот за аркуско потиснување има специфична критична вредност за угасување на аркуско, ако стројот на грешката на земја е помал од оваа критична вредност, брзината на восстановување на напонот се зголемува под дејството на уредот за аркуско потиснување, што помага на сигурно угасување на аркуско и намалува веројатноста за поновно запалување на аркуско, што намалува електричните инциденти и ефективно поддржува надежната работа на земењето на нултата точка.
(2) Токму во текот на рехабилитацијата на постојечките конвенционални линии за промена на фази и автоматски блокирање, ако кабелските линии - по замена на високонапонските проводници - претставуваат значајна пропорција, препорачливо е да се размисли за централизирана или распределена компензација со користење на кутијаст реактор за компензација на индуктивната реактивна моќ под нормални услови на капацитетниот строј. Според резултатите од пресметката во Табела 2, оперативните вредности на капацитетот се 0,22 μF/km за алюминиев кабел со дијаметар 70 мм² и 0,24 μF/km за алюминиев кабел со дијаметар 95 мм². Во исто време, треба да се размисли за адаптација на распределбените соби, и методите за земење на нултата точка на регулаторите на напонот во распределбените соби на двете страни треба да се прилагодат соодветно на пресметаните податоци.
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 В екстремални случаи, ако системата не е земана и се користат једнојезгри патички што се соодветствуваат со стандардите за брзи железници, еднофазен земјски дефект нема да се исклучи во дозволениот временски прозорец од 2 часа. Ова предизвикува непрекинато термално повредување на патичката. Повисоко, после повредувањето на једнојезграта патичка, неговата влијание врз соседните фази е релативно слабо, што дополнително уште повеќе ја отежнува ситуацијата затоа што не успева да активира заштитно прекинување, што лесно може да доведе до системски повреди.
6. Заклучок
Во системите за снабдување со електрична енергија на железници со обична брзина, изборот на методот за земање на нултата точка директно влијае врз безбедноста и стабилноста на работата на системот. Неправилен избор на шема за земање на нултата точка лесно може да резултира во вторични дефекти и каскадни инциденти. Кроз пресметка и компаративна анализа, целосен и рационален избор на методот за земање на нултата точка има големо значење за ефективно исклучување на дефекти, заштита на изолацијата на опремата, осигурување на надежен тракционен снабдување со електрична енергија и подобрување на безбедноста на персоналот и операциите со возови.
