Методы нейтрального заземления для систем электроснабжения обычных железных дорог
Железнодорожные системы электроснабжения в основном состоят из автоматических блок-сигнальных линий, проходных питательных линий, железнодорожных подстанций и распределительных станций, а также входящих линий 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 системы электроснабжения демонстрируют уникальные характеристики как в области электротехники, так и железнодорожной инфраструктуры.
Укрепление исследований методов нейтрального заземления для систем электроснабжения обычных железных дорог и всестороннее рассмотрение этих методов при проектировании, строительстве и эксплуатации имеет большое значение для повышения безопасности и надежности железнодорожного электроснабжения.
1. Обзор методов нейтрального заземления в железнодорожных системах электроснабжения
Метод нейтрального заземления в железнодорожных системах электроснабжения обычно относится к конфигурации заземления трансформаторов — это форма функционального (рабочего) заземления, тесно связанная с уровнем напряжения, однофазным током короткого замыкания на землю, уровнями перенапряжений и схемами релейной защиты. Это сложный технический вопрос, который можно условно разделить на:
Ненадежно заземленные системы: включая незаземленные, заземленные через дугогасящую катушку (катушку Петерсена) и высокоомные заземленные системы;
Надежно заземленные системы: включая прямое заземление и низкоомное заземление.
Электроэнергия, поставляемая от национальной сети к железным дорогам, обычно использует незаземленную конфигурацию нейтрали. Питающие цепи от железнодорожных подстанций и распределительных станций обычно берутся непосредственно от вторичной шины (расположенной после входящей шины питания, но перед регулятором напряжения), таким образом, также используются незаземленные системы. Для проходных линий метод заземления регулирующего трансформатора может быть выбран в зависимости от фактических потребностей.
В отличие от систем электроснабжения высокоскоростных железных дорог, которые обычно используют низкоомное заземление, обычные железные дороги в основном применяют незаземленные конфигурации. Хотя этот подход имеет определенные преимущества, развивающиеся стандарты безопасности и продолжающиеся технические обновления требуют переоценки стратегий заземления в современных условиях эксплуатации.
2. Преимущества и ограничения незаземленных систем
Согласно Кодексу проектирования железнодорожного электроснабжения (TB 10008–2015), конфигурация проходных линий должна определяться на основе надежности электроснабжения и специфических условий проекта, с использованием либо гибридных воздушно-кабельных линий, либо полностью подземных кабельных линий.
Из-за бюджетных ограничений и технической осуществимости большинство действующих проходных линий обычных железных дорог в настоящее время полагаются в основном на воздушные проводники или гибридные конфигурации с преобладанием воздушных проводников. В результате их системы нейтрального заземления обычно используют изолированную нейтраль (незаземленную) или системы с малым током заземления. Согласно статье 69 Правил управления железнодорожным электроснабжением, однофазные замыкания на землю в таких системах должны устраняться немедленно, допустимое время работы при наличии неисправности обычно не превышает 2 часов.
Операционные данные одного конкретного участка железной дороги за период с января по октябрь 2023 года показали 152 отключения питания, из которых 15 были связаны с отказами оборудования (2 из-за внутренней ответственности, 13 из-за внешних факторов). Заметно, что основную угрозу стабильности воздушных линий представляют экологические опасности, особенно вторжение растительности. В одном случае ветки деревьев проникли в зону безопасности, вызвав частичное замыкание одной фазы на землю на боковом проводнике. Неисправность была обнаружена и устранена в течение 2-часового окна, предотвратив влияние на движение поездов и избежав каскадных отказов. Это демонстрирует, что при существующих технических условиях незаземленные системы имеют 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 незаземленной системе напряжения здоровых фаз повышаются выше нормальных значений фаза-земля, достигая, возможно, линейного напряжения, что увеличивает риск многоточечного разрушения изоляции в незащищенных фазах. Кроме того, емкостные токи замыкания на землю в кабельных системах относительно велики, что приводит к быстрому старению изоляции в точке неисправности и высокой вероятности перехода в межфазные короткие замыкания.
Поскольку кабели обычно устанавливаются методами закапывания, прокладки в трубах или на лотках, определение места неисправности затруднено. В сочетании с ограничениями в техниках соединения кабелей, логистике ремонта и операционных окнах железных дорог, такие неисправности часто не могут быть быстро устранены. На практике, отказы кабелей в основном связаны с постоянным разрушением изоляции, органические материалы изоляции не могут восстанавливаться самостоятельно. В незаземленной системе отсутствие немедленного отключения позволяет длительное протекание тока неисправности, что приводит к серьезному повреждению изоляции, расширению зоны неисправности и потенциально вызывает вторичные проблемы, такие как тревожные сигналы на панелях управления или даже "красные" сигналы, нарушающие движение поездов, иногда приводя 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 балансировке:
Минимизации ненужных отключений, вызванных внешними возмущениями,
Обеспечении бесперебойного питания критических нагрузок,
Эффективной защите от неисправностей,
Контроле распространения неисправностей, и
Поддержании электрической и изоляционной целостности исправного оборудования при неисправностях.
Согласно Кодексу проектирования железнодорожного электроснабжения (TB 10008–2015), для 10(20) кВ проходных линий, питаемых через регуляторы напряжения, применяются следующие рекомендации по заземлению:
Если емкостной ток однофазного замыкания на землю ≤ 10 А, следует использовать неизолированную систему.
Если ток ≤ 150 А, можно применять либо низкоомное заземление, либо заземление с помощью дугогасительной катушки; если > 150 А, рекомендуется низкоомное заземление.
Полностью кабельные линии предпочтительно должны использовать низкоомное заземление.
Для низкоомного заземления резистор заземления должен быть выбран таким образом, чтобы обеспечить однофазный ток замыкания на землю в диапазоне 200–400 А, с мгновенным отключением при обнаружении неисправности.
В отличие от этого, Свод правил по проектированию высокоскоростных железных дорог (TB 10621–2014) разрешает использование неизолированных нейтральных систем, когда емкостной ток однофазного замыкания на землю ≤ 30 А, с компенсацией через реактор, подключенный к нейтрали.
На основе расчетов, приведенных в стандартных справочниках по электроснабжению железнодорожного транспорта, максимальные допустимые длины распространенных алюминиевых кабелей (сечения 70 мм² и 95 мм²), соответствующие однофазным емкостным токам замыкания на землю 10 А, 30 А, 60 А, 100 А и 150 А, приведены в таблице 1. Эти значения могут служить руководством для выбора подходящего метода заземления в зависимости от фактической длины кабеля.
Порядковый номер Емкостный ток однофазного замыкания на землю трехжильного кабеля (А) Средний емкостный ток трехжильного кабеля сечением 70 мм² (А/км) Соответствующая длина кабеля (км) Средний емкостный ток трехжильного кабеля сечением 95 мм² (А/км) Соответствующая длина кабеля (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 Заземление через нейтральную точку позволяет быстро устранять неисправности. Защита по нулевой последовательности может сработать в течение 0,2–2,0 секунд для изоляции неисправности, снижая вероятность вторичных постоянных электрических инцидентов и защищая надежность изоляции и срок службы электрооборудования.
4. Сравнение распространенных методов заземления нейтрали
4.1 Незаземленная нейтральная система
Метод незаземленной нейтрали обеспечивает непрерывное питание в течение 1-2 часов при однофазных замыканиях на землю на линиях, основанных на воздушных проводниках. Однако, на линиях, основанных на кабелях, этот метод склонен вызывать эскалацию неисправностей.
4.2 Заземление нейтрали через дугогасительную катушку
По сравнению с незаземленной нейтральной системой, этот метод использует индуктивный ток дугогасительной катушки для компенсации емкостного тока, снижая ток однофазного замыкания на землю до уровня, при котором он может самопроизвольно погаснуть, тем самым минимизируя перенапряжения, вызванные дугами. Он также позволяет продолжать работу в течение 1-2 часов при однофазных замыканиях на землю и предотвращает развитие однофазных неисправностей в межфазные. Однако, этот метод предъявляет более высокие требования к защите от замыканий на землю, не может определить поврежденную линию, подвержен резонансу и неэффективен для разрядки остаточных зарядов на линии.
4.3 Заземление нейтрали через малое сопротивление
На линиях, основанных на кабелях, метод заземления нейтрали через малое сопротивление эффективно контролирует перенапряжения, вызванные дуговыми замыканиями на землю, подавляет резонансные перенапряжения системы, обеспечивает хорошие эффекты ограничения тока и снижения напряжения, а также предлагает относительно высокую производительность защиты от нулевого последовательного тока, облегчая своевременное устранение неисправностей. Однако, этот метод имеет ограничения, особенно на участках воздушных линий: увеличение частоты срабатывания влияет на работу энергосистемы, ослабляет способность питания и увеличивает сложность технического обслуживания оборудования.
5. Обсуждение методов заземления нейтрали для энергосистем железнодорожного транспорта
(1) Усиление использования устройств автоматического отслеживания дугогасительных катушек. Этот подход имеет преимущество автоматического устранения временных замыканий на землю в энергосистеме, что снижает количество срабатываний. При получении сигнала тревоги об аварии, устройство автоматического отслеживания дугогасительной катушки генерирует соответствующий компенсирующий ток, позволяя повторно компенсировать электролинию. Это снижает вероятность коротких замыканий между фазами и обеспечивает стабильность и безопасность системы. Одновременно, поскольку устройство дугогашения имеет определенное критическое значение для гашения дуг, если ток замыкания на землю меньше этого критического значения, скорость восстановления напряжения увеличивается под действием устройства дугогашения, помогая надежно погасить дугу и снижая вероятность повторного возгорания, что уменьшает число аварий и эффективно поддерживает надежное заземление нейтрали.
(2) При модернизации существующих линий обычного скоростного пропуска и автоматической блокировки, если кабельные линии — после замены воздушных линий — составляют значительную долю, рекомендуется рассмотреть централизованную или распределенную компенсацию с использованием ящичных реакторов для компенсации индуктивной реактивной мощности при нормальных условиях емкостного тока. Согласно расчетным данным в таблице 2, рабочие значения емкости составляют 0,22 мкФ/км для алюминиевого кабеля сечением 70 мм² и 0,24 мкФ/км для алюминиевого кабеля сечением 95 мм². Одновременно следует учитывать адаптацию распределительных помещений, и методы заземления нейтрали регуляторов напряжения в распределительных помещениях на обеих сторонах должны быть соответственно скорректированы на основе расчетных данных.
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 крайних случаях, если система не заземлена и используются одноядерные кабели, соответствующие стандартам высокоскоростных железных дорог, одиночная фазная замыкающая авария не будет устранена в допустимом двухчасовом окне. Это приводит к непрерывному тепловому повреждению кабеля. Более того, после повреждения одноядерного кабеля его влияние на соседние фазы относительно слабое, что еще больше ухудшает ситуацию, так как не вызывает срабатывания защитного отключения, что может легко привести к системным отказам.
6. Заключение
В электроэнергетических системах обычных железных дорог выбор метода заземления нейтрали напрямую влияет на безопасность и стабильность работы системы. Неправильный выбор схемы заземления нейтрали может легко привести к вторичным авариям и каскадным инцидентам. С помощью расчетов и сравнительного анализа всесторонний и рациональный выбор метода заземления нейтрали имеет большое значение для эффективного устранения аварий, защиты изоляции оборудования, обеспечения надежного тягового электроснабжения и повышения безопасности персонала и движения поездов.
