Metody ziemnego uziemienia dla systemów elektrycznych kolei o normalnej prędkości
Systemy zasilania kolejowe składają się głównie z linii sygnalizacji blokowej, linii zasilających, podstacji i rozdzielni kolejowych oraz linii doprowadzających. Zapewniają one energię elektryczną kluczowym operacjom kolejowym, w tym sygnalizacji, komunikacji, systemom pojazdów szynowych, obsłudze pasażerów na stacjach oraz obiektom serwisowym. Jako integralna część narodowej sieci energetycznej, systemy zasilania kolejowe cechują się specyficznymi właściwościami zarówno inżynierii elektrycznej, jak i infrastruktury kolejowej.
Wzmocnienie badań nad metodami uziemienia neutralnego w systemach zasilania kolei o normalnym tempie – i kompleksowe rozważanie tych metod podczas projektowania, budowy i eksploatacji – ma ogromne znaczenie dla zwiększenia bezpieczeństwa i niezawodności zasilania kolejowego.
1. Przegląd metod uziemienia neutralnego w systemach zasilania kolejowym
Metoda uziemienia neutralnego w systemach zasilania kolejowym zwykle odnosi się do konfiguracji uziemienia transformatorów – jest to forma funkcjonalnego (pracującego) uziemienia ściśle związanej z poziomem napięcia, prądem jednofazowej awarii do ziemi, poziomami przepięć i schematami ochrony relacyjnej. Jest to złożony problem techniczny, który można szeroko sklasyfikować na:
Systemy nieustalone: w tym systemy bez uziemienia, z uziemieniem przez cewkę tłumiącą (cewkę Petersena) i z uziemieniem przez wysoką rezystancję;
Systemy ustalone: w tym bezpośrednie uziemienie i uziemienie przez niską rezystancję.
Energia dostarczana z narodowej sieci do kolei powszechnie wykorzystuje konfigurację bez uziemienia neutralnego. Linie zasilające od podstacji i rozdzielni kolejowych są zwykle podłączone bezpośrednio od drugiej szyny (położonej po szynie doprowadzającej, ale przed regulatorem napięcia), co również oznacza stosowanie systemu bez uziemienia neutralnego. Dla linii przelotowych metoda uziemienia transformatora regulacyjnego może być wybierana w zależności od rzeczywistych potrzeb.
W przeciwieństwie do systemów zasilania kolei dużych prędkości, które często wykorzystują uziemienie przez niską rezystancję, systemy zasilania kolei o normalnym tempie przede wszystkim stosują konfiguracje bez uziemienia neutralnego. Chociaż ten podejście ma pewne zalety, rozwijające się standardy bezpieczeństwa i ciągłe modernizacje techniczne wymagają ponownej oceny strategii uziemienia w bieżących warunkach operacyjnych.
2. Zalety i ograniczenia systemów bez uziemienia neutralnego
Zgodnie z Normą Projektowania Systemów Energetycznych Kolejowych (TB 10008–2015), konfiguracja linii przelotowych powinna być określana na podstawie niezawodności zasilania i specyficznych warunków projektu, używając linii mieszanych (nadziemnych i kablowych) lub całkowicie podziemnych linii kablowych.
Ze względu na ograniczenia budżetowe i techniczną wykonalność, większość obecnie działających linii przelotowych kolei o normalnym tempie opiera się głównie na przewodach nadziemnych lub hybrydowych konfiguracjach z dominacją przewodów nadziemnych. W związku z tym ich schematy uziemienia neutralnego zwykle przyjmują izolowane uziemienie (bez uziemienia) lub systemy uziemienia małoprądowego. Zgodnie z Artykułem 69 Regulaminu Zarządzania Energią Kolejową, jednofazowe awarie do ziemi w takich systemach muszą być szybko usuwane, z dopuszczalnym czasem pracy w stanie awaryjnym ogólnie nie przekraczającym 2 godzin.
Dane operacyjne z określonego segmentu zarządu kolejowego w okresie od stycznia do października 2023 roku zarejestrowały 152 wyłączenia zasilania, z czego 15 było spowodowanych awariami sprzętu (2 z powodu odpowiedzialności wewnętrznego, 13 z powodu czynników zewnętrznych). Warto zauważyć, że główne zagrożenia środowiskowe, zwłaszcza najeżdżanie roślin, stanowią główny problem stabilności linii nadziemnych. W jednym z incydentów gałęzie drzew wnikały do strefy wolnej, powodując częściowe połączenie fazy z ziemią na bocznej linii. Awaria została wykryta i usunięta w ciągu 2-godzinnego okna, zapobiegając wpływowi na ruch pociągów i unikając kaskadowych awarii. To pokazuje, że pod istniejącymi warunkami technicznymi, systemy bez uziemienia neutralnego oferują praktyczne korzyści.
Jednak linie kablowe stawiają różne wyzwania. W porównaniu do linii nadziemnych, przewody kablowe mają mniejsze marginesy izolacji i ograniczoną tolerancję przepięć. W przypadku jednofazowej awarii do ziemi w systemie bez uziemienia, napięcia faz zdrowych wzrastają powyżej normalnych poziomów fazowo-ziemia – potencjalnie osiągając napięcie międzyfazowe – zwiększając ryzyko wielopunktowego przebicia izolacji w fazach nieuszkodzonych. Ponadto, prądy awarii do ziemi w systemach kablowych są stosunkowo duże, prowadząc do szybkiego degradacji izolacji w miejscu awarii i wysokiej prawdopodobieństwa ewolucji w krótkie przewody między fazami.
Ponieważ kablice są zwykle montowane poprzez zakopywanie, rury lub tory, lokalizacja awarii jest trudna. Połączone z ograniczeniami technik połączeń kablowych, logistyki napraw i okien operacyjnych kolejowych, takie awarie często nie mogą być szybko rozwiązane. W praktyce, awarie kablowe są głównie wynikiem trwałego przebicia izolacji – materiały izolacyjne organiczne nie mogą się samowyzdrowić. W systemie bez uziemienia, brak natychmiastowego wyłączenia pozwala na długotrwałe prądy awaryjne, powodując ciężkie uszkodzenia izolacji, rozszerzając strefę awarii i potencjalnie wywołując dodatkowe problemy, takie jak alarmy na ekranie zasilania lub nawet awarie sygnałów "czerwonej strefy", które zakłócają ruch pociągów – czasami prowadząc do długotrwałych przerw i znaczących ryzyk bezpieczeństwa lub PR.
3. Wybór metod uziemienia neutralnego dla systemów zasilania kolei o normalnym tempie
Wybór odpowiedniej metody uziemienia neutralnego jest kluczowy dla stabilnej pracy systemu zasilania kolejowego. Głównym wyzwaniem jest zachowanie równowagi między:
minimalizacją niepotrzebnych wyłączeń spowodowanych zewnętrznościami,
zapewnieniem nieprzerwanego zasilania kluczowych obciążeń,
umożliwieniem skutecznej ochrony przed awariami,
kontrolą propagacji awarii, oraz
utrzymaniem elektrycznej i izolacyjnej integralności zdrowego sprzętu podczas awarii.
Zgodnie z Normą Projektowania Systemów Energetycznych Kolejowych (TB 10008–2015), dla linii przelotowych 10(20) kV zasilanych przez regulatory napięcia, obowiązują następujące wytyczne dotyczące uziemienia:
Jeśli przewodzenie jednofazowe do ziemii ≤ 10 A, należy użyć systemu niezazemnionego.
Jeśli prąd ≤ 150 A, może być zastosowane zazemnienie o niskim oporze lub zazemnienie przez cewkę tłumiącą; jeśli > 150 A, zaleca się zazemnienie o niskim oporze.
Linie w pełni kablowe powinny preferować zazemnienie o niskim oporze.
Dla zazemnienia o niskim oporze rezystor zazemniający powinien być wybrany tak, aby uzyskać jednofazowy prąd do ziemii wynoszący 200–400 A, z natychmiastowym odłączeniem po wykryciu uszkodzenia.
W przeciwieństwie do tego, Kodeks projektowania szybkich kolei (TB 10621–2014) zezwala na systemy neutralne niezazemnione, gdy przewodzenie jednofazowe do ziemii ≤ 30 A, z kompensacją poprzez reaktor zazemniony na neutrał.
Na podstawie obliczeń ze standardowych podręczników inżynierii elektrycznej kolejowej, maksymalne dopuszczalne długości kabli dla typowych kabli aluminiowych (przekroje 70 mm² i 95 mm²) odpowiadające jednofazowemu przepływowi do ziemii 10 A, 30 A, 60 A, 100 A i 150 A są podsumowane w Tabeli 1. Te wartości mogą służyć jako przewodnik przy wyborze odpowiedniej metody zazemnienia w zależności od rzeczywistej długości kabla.
Numer seryjny Jednofazowy prąd pojemnościowy uziemienia kabla trójrdzeniowego (A) Średni prąd pojemnościowy kabla trójrdzeniowego o przekroju 70 mm² (A/km) Odpowiadająca długość kabla (km) Średni prąd pojemnościowy kabla trójrdzeniowego o przekroju 95 mm² (A/km) Odpowiadająca długość kabla (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 Zakładowanie przez punkt neutralny umożliwia szybkie wykrywanie i usuwanie uszkodzeń. Ochrona zerowosymetryczna może działać w ciągu 0,2-2,0 sekundy, aby izolować uszkodzenie, zmniejszając prawdopodobieństwo wystąpienia wtórnych trwałych awarii elektrycznych i ochroniając niezawodność i żywotność izolacji sprzętu energetycznego.
4. Porównanie popularnych metod zakładowania punktu neutralnego
4.1 System z niesprzężonym punktem neutralnym
Metoda z niesprzężonym punktem neutralnym ma zaletę ciągłego dostarczania energii przez 1-2 godziny podczas jednofazowych uszkodzeń do ziemi w liniach zdominowanych przez przewody nadziemne. Jednak w liniach zdominowanych przez kable ta metoda ma tendencję do powodowania eskalacji uszkodzeń.
4.2 Zakładowanie punktu neutralnego przez cewkę zanikową
W porównaniu do systemu z niesprzężonym punktem neutralnym, ta metoda używa indukcyjnego prądu cewki zanikowej do kompensacji pojemnościowego prądu, obniżając prąd uszkodzenia do ziemi do poziomu, który może samoczynnie zgasnąć, co minimalizuje nadciśnienia spowodowane łukami. Umożliwia ona również 1-2 godziny ciągłej pracy podczas jednofazowych uszkodzeń do ziemi i zapobiega rozwojowi jednofazowych uszkodzeń w uszkodzenia międzyfazowe. Jednak ta metoda stawia wyższe wymagania dla ochrony przed uszkodzeniami do ziemi, nie jest w stanie identyfikować uszkodzonej linii, jest podatna na rezonans i nie jest w stanie skutecznie rozładować resztowych ładunków na linii.
4.3 Zakładowanie punktu neutralnego przez niską oporność
W liniach zdominowanych przez kabla, metoda zakładowania przez niską oporność efektywnie kontroluje nadciśnienia spowodowane łukami podczas jednofazowych uszkodzeń do ziemi, tłumaczy nadciśnienia rezonansowe w systemie, oferuje dobre efekty ograniczające prąd i obniżające napięcie, oraz zapewnia stosunkowo wysoką wydajność ochrony przeciwko zerowosymetrycznym przepięciom, ułatwiając szybkie eliminowanie uszkodzeń. Jednak ta metoda ma swoje ograniczenia, zwłaszcza w sekcjach linii nadziemnych: zwiększa częstotliwość odłączeń, wpływając na pracę systemu energetycznego, osłabia zdolność dostarczania energii i w pewnym stopniu zwiększa trudność utrzymania sprzętu.
5. Dyskusja na temat metod zakładowania punktu neutralnego w systemach zasilania kolejnictwa
(1) Wzmocnienie wykorzystania urządzeń automatycznej śledzącej cewki zanikowej. Ta metoda ma zaletę automatycznego usuwania przejściowych uszkodzeń do ziemi w systemie energetycznym, co zmniejsza liczbę odłączeń. Gdy sygnał alarmowy o uszkodzeniu jest wyemitowany, automatyczna śledząca cewka zanikowa generuje odpowiedni prąd kompensacyjny, umożliwiając ponowne kompensowanie linii energetycznej. To redukuje wystąpienie uszkodzeń krótkich między trzema fazami i zapewnia stabilność i bezpieczeństwo systemu. Ponadto, ponieważ urządzenie zanikowe ma określoną krytyczną wartość gaszenia łuku, jeśli prąd uszkodzenia do ziemi jest mniejszy niż ta krytyczna wartość, prędkość odzyskiwania napięcia zwiększa się pod wpływem urządzenia zanikowego, co pomaga skutecznie zgasić łuk i zmniejszyć prawdopodobieństwo jego ponownego zapłonu, obniżając tym samym liczbę incydentów energetycznych i efektywnie wspierając niezawodne działanie zakładowania punktu neutralnego.
(2) Podczas modernizacji istniejących linii pasażerskich i systemów automatycznej blokady, jeśli linie kablowe — po zastąpieniu linii nadziemnych — stanowią znaczną część, zaleca się rozważenie skupionej lub rozproszonej kompensacji przy użyciu skrzynkowych reaktorów, aby kompensować indukcyjną moc bierną w normalnych warunkach pojemnościowego prądu. Według wyników obliczeń w Tabeli 2, wartości operacyjnej pojemności wynoszą 0,22 μF/km dla kabla o rdzeniu aluminiowym o średnicy 70 mm² i 0,24 μF/km dla kabla o rdzeniu aluminiowym o średnicy 95 mm². Równocześnie należy rozważyć modyfikacje adaptacyjne pokoi dystrybucyjnych, a metody zakładowania punktu neutralnego regulatorów napięcia w pokojach dystrybucyjnych po obu stronach powinny być odpowiednio dostosowane na podstawie obliczonych danych.
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 W ekstremalnych przypadkach, jeśli system jest niezazemiony i wykorzystywane są jednoprzewodowe kable zgodne ze standardami szybkich kolei, pojedyncze zwarcie fazowe nie zostanie usunięte w dopuszczalnym oknie czasowym 2 godzin. Powoduje to ciągłe uszkodzenie termiczne kabla. Ponadto, po uszkodzeniu jednoprzewodowego kabelu, jego wpływ na sąsiednie fazy jest stosunkowo słaby, co dodatkowo pogarsza sytuację, nie wywołując ochronnego przerywania, co łatwo prowadzi do awarii systemowych.
6. Podsumowanie
W systemach elektrycznych zwykłych kolei, wybór metody zazemienia neutralnego bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo i stabilność działania systemu. Niewłaściwy wybór schematu zazemienia neutralnego może łatwo prowadzić do wtórnych uszkodzeń i kaskadowych incydentów. Poprzez obliczenia i analizę porównawczą, kompleksowy i racjonalny wybór metody zazemienia neutralnego ma ogromne znaczenie dla skutecznego usuwania uszkodzeń, ochrony izolacji urządzeń, zapewnienia niezawodnego zaopatrzenia w prąd trakcyjny oraz zwiększenia bezpieczeństwa osób i ruchu pociągów.
