Методи нейтрального заземлення для електроенергетичних систем звичайної швидкості залізниць
Електропостачання залізниць в основному складається з ліній автоматичного блокування, промислових електромереж, підстанцій та розподільчих станцій залізниці, а також ліній живлення. Вони забезпечують електроенергією важливі залізничні операції, включаючи сигналізацію, зв'язок, системи вагонів, обслуговування пасажирів на станціях та ремонтні об'єкти. Як інтегральна частина національної електричної мережі, електропостачання залізниць має відмінні характеристики як електротехніки, так і залізничної інфраструктури.
Посилення досліджень методів нейтрального заземлення для електропостачання залізниць звичайної швидкості — і комплексне врахування цих методів при проектуванні, будівництві та експлуатації — є надзвичайно важливим для підвищення безпеки та надійності електропостачання залізниць.
1. Огляд методів нейтрального заземлення в електропостачанні залізниць
Метод нейтрального заземлення в електропостачанні залізниць зазвичай стосується конфігурації заземлення трансформаторів — форми функціонального (робочого) заземлення, що тісно пов'язана з рівнем напруги, однофазним струмом короткого замикання, рівнями перенапруг та схемами релейної захисти. Це складний технічний питання, який можна загально поділити на:
Непідсилені системи заземлення: включаючи не заземлені, заземлені через дугогасительну катушку (катушку Петерсена), та заземлені через велику опір;
Підсилені системи заземлення: включаючи пряме заземлення та заземлення через малий опір.
Електроенергія, яка поставляється з національної мережі до залізниць, універсально використовує конфігурацію не заземленого нейтралу. Фідерні лінії, які відходять від підстанцій та розподільчих станцій залізниць, зазвичай підключаються безпосередньо до вторинної шини (розташованої після входної шини, але перед регулятором напруги), тому також використовують систему не заземленого нейтралу. Для промислових ліній метод заземлення регулятора напруги може бути вибрано відповідно до фактичних потреб.
На відміну від електропостачання високошвидкісних залізниць, які зазвичай використовують заземлення через малий опір, звичайні залізничні системи переважно використовують конфігурацію не заземленого нейтралу. Хоча цей підхід має певні переваги, еволюція стандартів безпеки та постійні технічні оновлення вимагають перегляду стратегій заземлення в сучасному контексті експлуатації.
2. Переваги та обмеження систем з не заземленим нейтралом
Згідно з Правилами проектування електропостачання залізниць (TB 10008–2015), конфігурація промислових ліній повинна визначатися на основі надійності постачання електроенергії та специфічних умов проекту, використовуючи комбіновані лінії з надпорожніми кабелями або повністю підземні кабельні лінії.
Завдяки бюджетним обмеженням та технічній можливості, більшість промислових ліній звичайної швидкості залізниць зараз в основному спираються на надпорожні провідники або гібридні конфігурації з домінуванням надпорожніх провідників. В результаті, їхні системи заземлення нейтралу зазвичай використовують ізольовані нейтралі (не заземлені) або системи з малим струмом заземлення. Згідно з пунктом 69 Правил управління електропостачанням залізниць, однофазні земельні аварії в таких системах повинні бути оперативно усунуті, з допустимим часом роботи при аварії, який зазвичай не перевищує 2 години.
Операційні дані одного з відділів залізничного управління з січня по жовтень 2023 року показали 152 відключення електроенергії, з яких 15 були пов'язані з аваріями обладнання (2 через внутрішню відповідальність, 13 через зовнішні фактори). Зокрема, небезпеки середовища, особливо вторгнення рослин, становлять головну загрозу стабільності надпорожніх ліній. У одному випадку, гілки дерев вторглися в зону очистки, спричинивши частковий контакт фази з землею на бічному провіднику. Аварія була виявлена та усунута протягом 2-годинного терміну, запобігаючи впливу на рух потягів та уникненню каскадних відключень. Це демонструє, що, за наявних технічних умов, системи з не заземленим нейтралом мають практичні переваги.
Проте, кабельні лінії мають інші виклики. Порівняно з надпорожніми лініями, кабелі мають нижчі маржинали ізоляції та обмежену стійкість до перенапруг. При однофазній земельній аварії в системі з не заземленим нейтралом, напруги здорових фаз підвищуються вище нормального рівня напруги фаза-земля, потенційно досягаючи напруги між фазами, що збільшує ризик багатоточкового зламу ізоляції невинних фаз. Крім того, ємнісні земельні струми в кабельних системах є відносно великими, що призводить до швидкого вироблення ізоляції в точці аварії та високій ймовірності переходу в фазово-фазові короткі замикання.
Оскільки кабелі зазвичай встановлюються за допомогою погруження, каналізації або коробів, локація аварії є складною. Разом з обмеженнями в техніках з'єднання кабелів, логістики ремонту та вікон експлуатації залізниць, такі аварії часто не можуть бути швидко вирішені. На практиці, аварії кабелів переважно пов'язані з постійним зламом ізоляції — органічні матеріали ізоляції не можуть самостійно відновитися. В системі з не заземленим нейтралом, відсутність моментального відключення дозволяє тривалі аварійні струми, що призводить до серйозного пошкодження ізоляції, розширення зони аварії та потенційне викликання вторинних проблем, таких як сигналізація екранів живлення або навіть «червоні сигнали», що перешкоджають русі потягів — іноді призводить до тривалих відключень та значних ризиків безпеки або публічних відносин.
3. Вибір методів нейтрального заземлення для електропостачання залізниць звичайної швидкості
Вибір правильного методу нейтрального заземлення є ключовим для стабільної роботи електропостачання залізниць. Основна проблема полягає у балансуванні:
Мінімізації необхідних відключень, спричинених зовнішніми заворушеннями,
Забезпеченні неперервного живлення критичних навантажень,
Дозволенні ефективної захисту від аварій,
Контролю розповсюдження аварій, та
Збереження електричної та ізоляційної цілісності здорового обладнання під час аварій.
Згідно з Правилами проектування електропостачання залізниць (TB 10008–2015), для 10(20) кВ промислових ліній, які живляться через регулятори напруги, застосовуються наступні рекомендації щодо заземлення:
Якщо ємнісний струм однофазної земельної вади ≤ 10 А, слід використовувати незаземлену систему.
Якщо струм ≤ 150 А, можна використовувати низькоопорне заземлення або заземлення за допомогою катушки підавання дуги; якщо > 150 А, рекомендується використовувати низькоопорне заземлення.
Повністю кабельні лінії повинні бажано використовувати низькоопорне заземлення.
Для низькоопорного заземлення, опір заземлення слід вибирати так, щоб однофазний земельний струм становив 200–400 А, з моментальним відключенням при виявленні вади.
Наприклад, Кодекс проектування швидкісних залізниць (ТБ 10621–2014) дозволяє використовувати системи з незаземленим нейтралем, коли ємнісний струм однофазної земельної вади ≤ 30 А, з компенсацією за допомогою реактора, заземленого на нейтраль.
На основі розрахунків зі стандартних довідників залізничної електроенергетики, максимальні допустимі довжини типових кабелів з алюмінієвим сердечником (перерізи 70 мм² і 95 мм²), що відповідають ємнісним струмам однофазної земельної вади 10 А, 30 А, 60 А, 100 А та 150 А, підсумовані у таблиці 1. Ці значення можуть допомогти у виборі відповідного методу заземлення залежно від фактичної довжини кабелю.
Порядковий номер Ємнісний струм однофазного заземлення трижильного кабелю (А) Середній ємнісний струм трижильного кабелю поперечного перерізу 70 мм² (А/км) Відповідна довжина кабелю (км) Середній ємнісний струм трижильного кабелю поперечного перерізу 95 мм² (А/км) Відповідна довжина кабелю (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 Заземлення через нейтральну точку дозволяє швидко ліквідувати аварії. Захист за нульовим режимом може працювати в межах 0,2–2,0 секунд для ізоляції аварії, зменшуючи ймовірність вторинних постійних електричних подій та захищаючи надійність і тривалість служби ізоляції електрообладнання.
4. Порівняння типових методів заземлення нейтральної точки
4.1 Система без заземлення нейтральної точки
Метод без заземлення нейтральної точки має перевагу у продовженому забезпеченні електроенергією на 1-2 години під час однофазних заземлювальних аварій на лініях, що переважно складаються з повітряних провідників. Однак, на лініях, що переважно складаються з кабелів, цей метод схильний до розширення аварії.
4.2 Заземлення нейтральної точки через катушку загасування дуги
Порівняно з системою без заземлення нейтральної точки, цей метод використовує індуктивний струм катушки загасування дуги для компенсації ємностного струму, зменшуючи струм заземлювальної аварії до рівня, при якому він може самостійно загаснути, що мінімізує перенапруги, спричинені дугою. Цей метод також дозволяє продовжений роботи на 1-2 години під час однофазних заземлювальних аварій та запобігає розвитку однофазних аварій у міжфазні. Однак, цей метод ставить високі вимоги до захисту від заземлювальних аварій, не може ідентифікувати аварійну лінію, схильний до резонансу та не може ефективно виводити залишки заряду з лінії.
4.3 Заземлення нейтральної точки через низький опір
На лініях, що переважно складаються з кабелів, метод заземлення через низький опір ефективно контролює перенапруги, спричинені дугою при однофазних заземлювальних аваріях, пригнічує системні резонансні перенапруги, забезпечує хороші обмежувальні та знижувальні ефекти струму та напруги, та має відносно високу продуктивність захисту від нульового режиму струму, що сприяє своєчасному усуненню аварій. Однак, цей метод має обмеження, особливо на ділянках повітряних ліній: збільшення частоти відключення впливає на роботу енергетичної системи, послаблює здатність забезпечувати електроенергією та деякою мірою збільшує складність технічного обслуговування обладнання.
5. Обговорення методів заземлення нейтральної точки для енергетичних систем залізниць
(1) Покращити використання автоматичних пристроїв слідкування за катушками загасування дуги. Цей підхід має перевагу автоматичного усунення тимчасових заземлювальних аварій в енергетичній системі, що зменшує кількість відключень. Коли видіється сигнал тривоги про аварію, автоматична катушка загасування дуги генерує відповідний компенсувальний струм, що дозволяє повторну компенсацію електролінії. Це зменшує кількість коротких замикань між трьома фазами та забезпечує стабільність та безпеку системи. Одночасно, оскільки пристрій загасування дуги має певне критичне значення для загасення дуги, якщо струм заземлювальної аварії менший за це критичне значення, швидкість відновлення напруги зростає під дією пристрою загасування дуги, що допомагає надійно загасити дугу та зменшує ймовірність повторного запалення дуги, що зменшує кількість електроенергетичних подій та ефективно підтримує надійне заземлення нейтральної точки.
(2) Під час модернізації існуючих ліній прямого живлення та автоматичної блокади, якщо кабельні лінії — після заміни повітряних ліній — становлять значну частку, рекомендується врахувати централізовану або розподілену компенсацію за допомогою боксових реакторів для компенсації індуктивної реактивної потужності в умовах нормального ємностного струму. Відповідно до обчислених даних у таблиці 2, значення робочої ємності становить 0,22 мкФ/км для кабелю з алюмінієвим сердечником 70 мм² та 0,24 мкФ/км для кабелю з алюмінієвим сердечником 95 мм². Одночасно, слід врахувати адаптаційні модифікації розподільчих камер, та відповідно до обчислених даних, змінити методи заземлення нейтральної точки регуляторів напруги в розподільчих камерах з обох сторін.
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 У крайніх випадках, якщо система не заземлена і використовуються одноядерні кабелі, що відповідають стандартам високоскоростних залізниць, однофазова заземлювальна аварія не буде усунута протягом дозволеного 2-годинного вікна. Це призводить до постійного термічного пошкодження кабелю. Більше того, після пошкодження одноядерного кабелю його вплив на суміжні фази є відносно слабким, що ще більше погіршує ситуацію, оскільки не спричиняє запуску захисного відключення, що може легко призвести до системних збоїв.
6. Висновок
У системах живлення звичайної швидкості залізниць вибір методу заземлення нейтралу безпосередньо впливає на безпеку та стабільність роботи системи. Неправильний вибір схеми заземлення нейтралу може легко призвести до вторинних аварій та лавинних подій. Шляхом розрахунків та порівняльного аналізу комплексний та раціональний вибір методу заземлення нейтралу має велике значення для ефективного усунення аварій, захисту ізоляції обладнання, забезпечення надійного живлення тяги та підвищення безпеки персоналу та експлуатації поїздів.
