Metode neutralnog zemljanja za sisteme snabdijevanja električnom energijom konvencionalnih željeznica
Železnički električni sistemi uglavnom uključuju linije automatskog blok-signalizovanja, prohodne linije snabdevanja električnom energijom, železničke preobrazovne stanice i distribucijske stanice, kao i linije priključne na mrežu. Ovi sistemi obezbeđuju struju za ključne železničke operacije, uključujući signalizaciju, komunikacije, sustave vozila, rukovanje putnicima na stanicama i objekte za održavanje. Kao integralni deo nacionalne električne mreže, železnički električni sistemi pokazuju specifične karakteristike kako elektrotehnike tako i infrastrukture železnica.
Intenziviranje istraživanja metoda neutralnog zemljanja za električne sisteme konvencionalne brzine železnica—i njihovo kompleksno razmatranje tijekom dizajna, izgradnje i eksploatacije—ima veliku važnost za poboljšanje sigurnosti i pouzdanosti snabdevanja električnom energijom železnica.
1. Pregled metoda neutralnog zemljanja u železničkim električnim sistemima
Metoda neutralnog zemljanja u železničkim električnim sistemima obično se odnosi na konfiguraciju zemljanja transformatora—vrsta funkcionalnog (radnog) zemljanja koja je tesno vezana uz nivo napona, jednofazni strujni tok greške na zemlju, nivo prenapona i sheme relne zaštite. To je složena tehnička pitanja koja se mogu široko kategorizirati u:
Nestrogosvezanje: uključujući nezemljene, zemljene sa zavrtnjom (Petersenova zavrtanj), i visokootporne zemljene sisteme;
Strogosvezanje: uključujući direktno zemljanje i niskootporne zemljene sisteme.
Snabdevanje električnom energijom iz nacionalne mreže za potrebe železnica univerzalno koristi nezemljenu konfiguraciju neutrala. Prohodne linije koje se izvode iz sekundarnih busbarova (smještenih nakon ulaznog busbara ali ispred regulatora napona) takođe koriste nezemljenu neutralnu konfiguraciju. Za prohodne linije, metodu zemljanja transformatora za regulaciju napona može se birati prema stvarnim potrebama.
U suprotnosti s električnim sistemima visokobrzih železnica—koji često koriste niskootporne zemljene sisteme—konvencionalne brzine železnički sistemi uglavnom koriste nezemljene neutralne konfiguracije. Iako ovaj pristup ima određene prednosti, evolutivni standardi sigurnosti i tehnološki nadogradnje zahtijevaju ponovno vrednovanje strategija zemljanja u današnjem kontekstu operacija.
2. Prednosti i ograničenja nezemljene neutralne konfiguracije
Prema Pravilniku o projektiranju železničkog snabdevanja električnom energijom (TB 10008–2015), konfiguracija prohodnih linija treba biti određena na osnovu pouzdanosti snabdevanja električnom energijom i specifičnih uslova projekta, koristeći kombinacije površinskih-kabelskih linija ili potpuno podzemne kabelske linije.
Zbog ograničenja budžeta i tehničke ostvarivosti, većina trenutno operativnih prohodnih linija konvencionalne brzine železnica oslanja se uglavnom na površinske vodove ili hibridne konfiguracije dominantne površinske. Stoga, njihovi sistemi neutralnog zemljanja obično koriste izolirane neutralne (nezemljene) ili male strujne sisteme zemljanja. Prema Članku 69 Pravilnika o upravljanju železničkim snabdevanjem električnom energijom, jednofazne greške na zemlju u tim sistemima moraju biti ubrzo rešene, s dopuštenim vremenom radnog stanja greške obično do 2 sata.
Operativni podaci iz specifičnog segmenta železničke uprave između januara i oktobra 2023. godine zapravo su zabeležili 152 prekida snabdevanja, od kojih 15 bilo je grešaka opreme (2 atribuirano internoj odgovornosti, 13 vanjskim faktorima). Značajna je pretresa okruženjskim opasnostima, posebno invaziji biljaka, koja predstavlja glavnu pretnju stabilnosti površinskih linija. U jednom incidentu, granjevi drveća su intrudirali u zonu razmaka, uzrokujući delimičnu vezu faze na zemlju na bočnom vodovodu. Greška je identificirana i rešena unutar 2-satnog roka, sprečavajući uticaj na operacije vlakova i izbegavajući kaskadne propade. Ovo pokazuje da, pod postojećim tehničkim uslovima, nezemljene neutralne sisteme nude praktične prednosti.
Međutim, kabelske linije predstavljaju različite izazove. U usporedbi s površinskim vodovodima, kabelske linije imaju niže margine izolacije i ograničeno tolerisanje prenapona. Tijekom jednofazne greške na zemlju u nezemljenoj mreži, naponi zdravih faza porastu iznad normalnih nivoa faza-na-zemlju—potencijalno dostižući nivo međufaznog napona—povećavajući rizik od višetockog rušenja izolacije u neogrješenim fazama. Takođe, kapacitivni strujni tokovi greške na zemlju u kabelskim sistemima su relativno veliki, što dovodi do brzog opadanja izolacije u tački greške i visokog rizika da se razvije u međufazne kratke spojeve.
Kako kabeli obično instaliraju preko zgrabenih, cevnih ili taloznih metoda, lokacija greške je teška. Kombinirano s ograničenjima tehnika spajanja kabela, logistikom popravki i operativnim prozorima železnica, takve greške često se ne mogu brzo rešiti. U praksi, propadi kabela uglavnom su rezultat trajnog rušenja izolacije—organički materijali izolacije ne mogu samostalno se obnoviti. U nezemljenoj mreži, nedostatak odmah prekidnog reagovanja omogućava dugotrajne strujne tokove, što dovodi do ozbiljnog oštećenja izolacije, proširenja zone greške i potencijalno pokretanja sekundarnih problema, kao što su alarmi na ekrani snabdevanja ili čak "crvena zona" greške signala koje premetaju operacije vlakova—ponekad rezultirajući dugotrajnim prekidima i značajnim rizicima za sigurnost ili javne odnose.
3. Izbor metoda neutralnog zemljanja za električne sisteme konvencionalne brzine železnica
Izbor odgovarajuće metode neutralnog zemljanja je ključan za stabilno funkcionisanje železničkog snabdevanja električnom energijom. Ključni izazov leži u balansiranju:
Smanjenja nepotrebnih prekida uzrokovanih vanjskim smetnjama,
Osiguranja neprekidnog snabdevanja ključnih opterećenja,
Omogućavanja efektivne zaštite od grešaka,
Kontrole širenja grešaka, i
Održavanja električne i izolacione integriteta zdrave opreme tijekom grešaka.
Prema Pravilniku o projektiranju železničkog snabdevanja električnom energijom (TB 10008–2015), za 10(20) kV prohodne linije snabdevanja putem regulatora napona, primjenjuju se sljedeći smernici zemljanja:
Ako je jednofazni kapacitivni struja pri jednofaznom zemljaju ≤ 10 A, treba koristiti nezemljeni sistem.
Ako je struja ≤ 150 A, može se koristiti niskoupravno zemljenje ili zemljenje sa košćicom za potisivanje lukova; ako je > 150 A, preporučuje se niskoupravno zemljenje.
Potpuno kabelske linije bi trebalo da koriste niskoupravno zemljenje.
Za niskoupravno zemljenje, odpor zemljenja treba izabrati tako da se dobije jednofazna zemljajuća struja od 200–400 A, sa trenutnim isključivanjem pri otkrivanju greške.
U suprotnosti, Pravilnik o dizajnu visokobrzih željeznica (TB 10621–2014) dozvoljava nezemljene neutralne sisteme kada je kapacitivna struja pri jednofaznom zemljaju ≤ 30 A, sa kompenzacijom putem reaktora zemljenog na neutral.
Na osnovu izračunavanja iz standardnih priručnika za železničku energetiku, maksimalne dopustive dužine kabela za uobičajene aluminijumske kabele (presečne površine od 70 mm² i 95 mm²) kojima odgovaraju jednofazne zemljajuće kapacitivne struje od 10 A, 30 A, 60 A, 100 A i 150 A su sažete u Tabeli 1. Ovi podaci mogu usmeriti izbor odgovarajuće metode zemljenja na osnovu stvarne dužine kabela.
Redni broj Jednofazni kapacitivni tok zemljenja trižičnog kabela (A) Srednji kapacitivni tok trižičnog kabela preseka 70 mm² (A/km) Odgovarajuća dužina kabela (km) Srednji kapacitivni tok trižičnog kabela preseka 95 mm² (A/km) Odgovarajuća dužina kabela (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 Povezivanje preko neutralne tačke omogućava brzo uklanjanje grešaka. Nula-sekvencijska zaštita može delovati unutar 0,2–2,0 sekundi kako bi izolovala grešku, smanjujući verovatnoću sekundarnih trajnih električnih incidenta i štiteći pouzdanost izolacije i vreme života električnog opreme.
4. Upoređivanje često korišćenih metoda povezivanja neutrala
4.1 Nepovezan neutralni sistem
Metod nepovezanog neutralnog sistema nudi prednost kontinuirane snabdijevanje strujom od 1-2 sata tokom jednofaznih grešaka na linijama koje su dominantne nadzemnim vodovima. Međutim, na linijama koje su dominantne kablovima, ovaj metod ima tendenciju da uzrokuje eskalaciju grešaka.
4.2 Povezivanje neutrala preko zglobnog zavojnika
U poređenju sa nepovezanim neutralnim sistemom, ovaj metod koristi induktivnu struju zglobnog zavojnika kako bi kompensovao kapacitivnu struju, smanjujući struju greške na nivou koji se može samopočiniti, time smanjujući prenapona uzrokovana lukom. Takođe dozvoljava 1-2 sata kontinuirane operacije tokom jednofaznih grešaka na zemlji i sprečava razvoj jednofaznih grešaka u međufazne greške. Međutim, ovaj metod postavlja više zahteva za zaštitu od grešaka na zemlji, ne može identifikovati grešku na liniji, podložan je rezonanciji i ne može efikasno isprazniti ostatak naelektrisanja na liniji.
4.3 Povezivanje neutrala preko niske otpornosti
Na linijama koje su dominantne kablovima, metod povezivanja neutrala preko niske otpornosti efikasno kontroluje prenapone uzrokovane lukom tokom jednofaznih grešaka na zemlji, smanjuje prenapone rezonantne sistemske prenapone, pruža dobre efekte ograničavanja struje i smanjenja napona, te relativno visoku performansu nula-sekvencijske zaštite od prekomerne struje, što olakšava pravočasno uklanjanje grešaka. Međutim, ovaj metod ima ograničenja, posebno na delovima linija sa nadzemnim vodovima: povećana frekvencija skakanja utiče na rad sistema snabdevanja strujom, oslabljuje sposobnost snabdevanja strujom i do neke mere povećava teškoće održavanja opreme.
5. Rasprava o metodima povezivanja neutrala za sisteme snabdevanja strujom železnica
(1) Unapređenje korišćenja uređaja automatskog praćenja zglobnog zavojnika. Ovaj pristup ima prednost automatskog uklanjanja privremene greške na zemlji u sistemu snabdevanja strujom, smanjujući broj skakanja. Kada se generiše signal alarmiranja o grešci, automatski praćeni zglobni zavojnik generiše odgovarajuću kompenzacionu struju, omogućavajući ponovnu kompenzaciju strujne linije. To smanjuje pojavljivanje prekidnih grešaka među tri faze i osigurava stabilnost i sigurnost sistema. U isto vreme, budući da uređaj za gasenje luka ima specifičnu kritičnu vrednost za gasenje luka, ako je struja greške na zemlji manja od ove kritične vrednosti, brzina povratka napona se povećava pod dejstvom uređaja za gasenje luka, pomažući pouzdanom gasenju luka i smanjujući verovatnoću ponovnog zapaljenja luka, smanjujući tako incidente sa strujom i efikasno podržavajući pouzdano povezivanje neutrala.
(2) Tokom renoviranja postojećih konvencionalnih linija prenosnice i automatskih blokiranih signala, ukoliko kablove—nakon zamene nadzemnih vodova—predstavljaju značajan deo, preporučljivo je razmotriti centralizovanu ili raspodeljenu kompenzaciju koristeći kutijske reaktore kako bi se kompensovala induktivna reaktivna snaga pod normalnim uslovima kapacitivne struje. Prema rezultatima izračunavanja u Tabeli 2, operativne vrednosti kapacitance su 0,22 μF/km za aluminijasti vod promera 70 mm² i 0,24 μF/km za aluminijasti vod promera 95 mm². Istovremeno, treba razmotriti prilagođavanja distribucijskih soba, a metode povezivanja neutrala regulatera napona u distribucijskim sobama na obe strane treba prilagoditi na osnovu izračunatih podataka.
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 U ekstremnim slučajevima, ako je sistem nezazemljen i koriste se jednožiljci - u skladu sa standardima visokobrzih željeznica, jednofazni preliv na zemlju neće biti otklonjen unutar dopuštenog vremenskog prozora od 2 sata. Ovo dovodi do kontinuiranog toplinskog oštećenja kabela. Takođe, nakon što je jednožiljak oštećen, njegov uticaj na susedne faze je relativno slaban, što dodatno pogoršava situaciju, jer ne aktivira zaštitno isključivanje, što lako može dovesti do sistemske greške.
6. Zaključak
U sistemima snabdijevanja strujom konvencionalnih brzih željeznica, izbor metode zazemljenja neutrala direktno utiče na sigurnost i stabilnost rada sistema. Nepravilan izbor sheme zazemljenja neutrala lako može dovesti do sekundarnih grešaka i lančanih incidenta. Kroz izračunavanje i komparativnu analizu, kompleksan i racionalan izbor metode zazemljenja neutrala ima veliku važnost za efikasno otklanjanje grešaka, zaštitu izolacije opreme, osiguranje pouzdanog snabdijevanja trakcijskom strujom, kao i poboljšanje sigurnosti osoblja i rada vlakova.
