Инженеры Г. Б. ИГНАТОВ, Е. Э. ЗАКИЕВ, канд. техн. наук А. В. НАУМОВ

Основные направления повышения надежности
электроснабжения устройств СЦБ

В настоящее время вопросы электроснабжения постов ЭЦ и других станционных помещений (ДСП, релейных будок), а также перегонных устройств СЦБ решаются согласно требованиям нормативных документов, утвержденных МПС: инструкций ЦЭ-462, ЦЭ-191, ЦЭ-881, ВНТП-86. Эти документы базируются в основе своей на требованиях ПУЭ. При этом питание предусматривается от совмещенных или специальных комплектных трансформаторных подстанций (КТП), а иногда и от собственных фидеров 0,4 кВ [1].

На перегонах электроснабжение осуществляется от специальных линий: ВЛ СЦБ, ВЛ ПЭ, ДПР [1, 3].

Станционные устройства автоматики магистрального железнодорожного транспорта (посты электрифицированной (ЭЦ) и диспетчерской (ДЦ) централизации) в основном получают электроэнергию от трехфазных трансформаторных подстанций со вторичным напряжением 380/220 В и глухозаземленной нейтралью. Проектирование устройств электроснабжения и заземления осуществляется согласно утвержденным нормативным документам и действующим ГОСТам.

Принципиально ввод питающего напряжения осуществляется следующим образом. От трансформаторной подстанции ввод в постовое здание осуществляется четырехжильным кабелем, подключаемым к клеммам щита вводного переключения (ЩВП), предназначенным для обесточивания помещения при пожарной опасности. Далее напряжение подается внутренним четырехжильным кабелем на вводную панель (ПВ), в которой в каждой фазе установлены приборы защиты. Корпуса ЩВП, ПВ и других панелей питания зануляются через четвертую жилу кабеля, соединенную с нейтралью трансформатора (нулевой рабочий проводник). Рядом с постовым служебно-техническим зданием оборудуется заземлитель, соединенный с контурами магистралей заземления в служебных комнатах (релейной, связевой, генераторной), которые заземляющими проводниками соединены с корпусами стативов, панелей, ЩВП, пультом-табло. Таким образом, создается повторное заземление оборудования. К этим же заземляющим устройствам (ЗУ) подключены приборы защиты от перенапряжений.

Электропитание устройств СЦБ (реле, светофоры, рельсовые цепи, контрольные и рабочие цепи стрелочных электроприводов) отделено от трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью разделительными трансформаторами, располагаемыми в закрытых панелях питания. Изоляция источников питания устройств СЦБ непрерывно контролируется сигнализаторами заземления с удельной чувствительностью 1 кОм/В. Благодаря этому напряжение, подаваемое на стативы с аппаратурой и на исполнительные устройства СЦБ, изолировано от земли, что дает возможность использовать однополюсное размыкание цепей. Для поддержания нормального уровня изоляции удаленные от поста нагрузки переменного тока с номинальным напряжением 220 В сгруппированы в отдельные разделительные трансформаторы с максимальной мощностью 1,5 кВ·А (рис. 1).

 

Рис. 1. Структурная обобщенная схема распределения сети электроснабжения на посту ЭЦ: П — переходная группа контактов, реле и т. п.; С — стрелочный перевод

В целом электроснабжение служебно-технических зданий железнодорожного транспорта выполнено по Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), однако в реальном осуществлении некоторые положения выполняются с отступлением от требований ПУЭ. К таким отступлениям относятся: отсутствие общих заземляющих устройств для электроустановок различного назначения; выполнение однопроводного соединения заземлителей с магистралями заземлений; заниженное сечение заземляющих проводников; на подстанции не обеспечивается требуемое для приборов защиты значение тока короткого замыкания (к. з.), а также допускается последовательное соединение корпусов различных электроустановок. Кроме того, отсутствуют единые требования и указания по устройству заземления в различных хозяйствах железнодорожного транспорта. В результате этого при повреждении изоляции фазных проводов на трансформаторных подстанциях или в силовых нагрузках бывают случаи возгорания кабелей и постового оборудования за счет перенапряжений в цепях электроснабжения.

Электроприемники технологических нагрузок постов электрической централизации (далее ЭЦ) с числом стрелок 30 и более относятся к особой группе 1-й категории в отношении надежности электроснабжения, а с числом менее 30 стрелок — к 1-й категории. Для электроснабжения электроприемников особой группы ПУЭ требуют предусматривать три независимых источника питания, т. е., кроме двух внешних источников, следует предусматривать дополнительное питание от третьего взаимно резервирующего источника, в качестве которого может быть использован автоматизированный дизель-генератор (ДГА).

Рабочее и резервное питание постов ЭЦ осуществляется от КТП различных мощностей и напряжений, которые устанавливаются в соответствии с действующими нормативными документами [1...3].

Для защиты от перенапряжений (атмосферных и коммутационных) на высокой и низкой стороне различных КТП предусматриваются ограничители перенапряжений, разрядники, искровые промежутки, так как при воздействии на высоковольтную обмотку трансформатора молнии 40 % перенапряжений способно навестись емкостным путем.

Выбор ограничителей перенапряжения (ОПН) производится без учета времени отключения однофазных коротких замыкания (о. к. з.), т. е. по наибольшему рабочему напряжению. В случае учета времени отключения о. к. з. ОПН может быть выбран на напряжение, меньшее наибольшего рабочего, в тех случаях, когда это целесообразно, например в сетях с пониженным уровнем изоляции.

Защита трансформатора по высокой стороне осуществляется высоковольтными предохранителями, которые обеспечивают только максимальную защиту.

Защита трансформатора по низкой стороне от токов к. з. осуществляется автоматическими выключателями. Защита от неполнофазного режима не предусматривается, поэтому отключить трансформатор при таком виде повреждения невозможно.

Следует отметить, что работа оборудования при длительных перенапряжениях вызывает ускоренное старение изоляции, что в конечном счете приводит к нарушению изоляции кабелей и оборудования и пожарам.

В настоящее время на сети дорог эксплуатируется свыше 20 тыс. постов электрической централизации и десятки тысяч релейных шкафов (РШ), расположенных на участках с электротягой на постоянном и переменном токе и на участках с автономной тягой. Сооружения и устройства ЭЦ и РШ находятся в эксплуатации разное время, многие из них уже эксплуатируются 40 лет, т. е. более нормативного срока службы. Безусловно, они претерпевают модернизацию оборудования, изменение схемных решений и монтажа. Многообразие постов ЭЦ и РШ существенно усложняет проведение анализа состояния и выявление причин повреждений.

При разработке рассматриваемой проблемы были проведены обследования более 80 постов ЭЦ на шести железных дорогах сети. Проанализированы типовые проекты и проектные решения на реальных участках железных дорог, действующие нормативные документы (НД) и ГОСТы, применяемые в системах электроснабжения промышленных предприятий и на промышленном транспорте, а также в метрополитенах.

Практически все обследуемые посты ЭЦ получают питание от КТП, сооруженных по типовым схемам «Установка и подключение КТП к линиям продольного электроснабжения 25 кВ»; чертежи разработаны ПКБ ЦЭ МПС, аппаратура изготовлена комплектно заводами ЦЭ ОАО «РЖД». В качестве трансформаторов в каждой из КТП принято: при КТП типа столбовой трансформаторной подстанции (СТП — трансформатор напряжения) — ЗНОМ-35-65 по ТУ-16-517.128-78, а в КТП типа КТПМ — ТМЖ при соответствующей мощности. Вопросы заземления решены согласно инструкции ЦЭ-191, аналогично решены и вопросы защиты от токовых перегрузок с помощью предохранителей. Однако во всех случаях защита от замыканий на землю до прибора автоматической защиты во вторичных цепях отсутствует.

Особенностью каждой КТП является значительное количество потребителей электроэнергии: устройства СЦБ, связи, путевого и локомотивного хозяйства, а также сложность выполнения ЗУ ввиду ограниченности пространства возле путей и тупиков.

В части обеспечения надежности электроснабжения категорийность электроприемников различных устройств на железных дорогах принята в соответствии с инструкцией ЦЭ-4846.

Все устройства (СЦБ, связи и др.) присоединены к источникам электропитания самостоятельными линиями с установкой на вводных каналах или в релейных шкафах аппаратуры, обеспечивающей автоматический переход с основного питания на резервное в случае понижения напряжения ниже установленного уровня.

Уставки реле контроля напряжения на вводных панелях устройств СЦБ приняты в пределах 204...208 В при номинальном напряжении 220 В и 340...345 В при номинальном напряжении 380 В.

Значения номинальных напряжений и допускаемых отклонений, устанавливаемые в стандартах и ТУ на конкретные схемы электроснабжения, выбраны согласно ГОСТ 2428 – 83, ГОСТ 721 – 77, а также ГОСТ 13109 – 97.

Как правило, схемы электроснабжения имеют автоматический повторный выключатель (АПВ), автомат включения резерва (АВР) и устройство для определения места к. з. в линии высокого напряжения. Полное время цикла отключения выключателей, АПВ и АВР на резервном пункте составляет не более 1,3 с, все камеры КТП снабжены дистанционным управлением (большинство — телеуправлением), выключателями.

Практически на всех КТП (кроме СТП) вторичное напряжение подается к электропотребителям по цепям с глухозаземленной нейтралью.

При этом в устройствах СЦБ и связи во всех случаях устанавливаются изолирующие трансформаторы. Однако во всех случаях отсутствуют устройства контроля замыкания фазы на землю (корпус).

Весьма сложным образом решаются вопросы заземления нейтрали во вторичных цепях, в основном из-за многофункциональности цепей электроснабжения. Это не позволяет в условиях эксплуатации исключить или снизить величины тока от посторонних нагрузок и источников через ЗУ (и прежде всего на постах ЭЦ), в том числе и путем снижения сопротивления заземления первичного контура или питания через изолирующий трансформатор.

Распределение количества отказов в устройствах ЭЦ и РШ по вызывающим их причинам в 1984... 2002 гг. приведено в табл. 1.

 

Т а б л и ц а 1
Причины возгорания	Число случаев	% общего количества
Короткие замыкания в электрических цепях поста ЭЦ (в разводке проводов, жгутах монтажных проводов, корпусах реле, на колодках)	18	27,7
Короткие замыкания в цепях основного фидера питания поста ЭЦ	7	10,8
Пожары, вызванные протеканием тягового тока в цепях ЭЦ и РШ	6	9,02
Короткие замыкания в трансформаторах поста ЭЦ	7	10,8
Короткие замыкания в цепях резервного питания поста ЭЦ (резервный фидер, питание от ДГА)	4	6,1
Повреждения в постах ЭЦ и РШ, вызванные атмосферными перенапряжениями	4	6,1
Короткие замыкания в реле ТШ-2000	3	4,7
Пожары, вызванные проведением сварочных работ на рельсах и устройствах СЦБ с нарушением правил производства сварочных работ	5	7,7
Короткое замыкание в цепях аккумуляторной батареи	1	1,5
Прочие случаи	10	15,4
Всего	65	100

В целом, если рассматривать количество случаев (65) за десятилетний период, можно сказать о малой их вероятности при весьма большом числе объектов (постов ЭЦ и РШ). Однако эти случаи нельзя рассматривать как простые отказы, поскольку их последствия вызывают значительные перерывы в движении поездов, а в некоторых случаях и полное прекращение движения на несколько суток. А потому необходимо разрабатывать и принимать такие технические решения, которые позволят добиться максимального снижения возникновения отказов в электроснабжении постов ЭЦ и РШ.

Анализируя полученные данные (см. табл. 1) по причинам, вызвавшим отказы в работе устройств электроснабжения, можно разделить их следующим образом. Наибольшее число отказов возникало в устройствах постов ЭЦ — 64,6 %.

К внешним воздействиям для постов ЭЦ и РШ можно отнести атмосферные перенапряжения (6,1 %), воздействия тяговых токов электрифицированных железных дорог постоянного и переменного тока (9,2 %).

На основании анализа отказов в работе устройств электроснабжения был подготовлен план мероприятий по повышению надежности работы устройств электроснабжения; разработаны Методические указания по выбору уставок защиты в схемах электроснабжения постов ЭЦ, которые утверждены и разосланы по дорогам.

Одной из причин ненадежной работы систем электроснабжения устройств СЦБ является отсутствие контроля неполнофазных режимов в цепях электроснабжения. Рассмотрим возможные пути решения этих задач.

Согласно ПУЭ на стороне низшего напряжения понижающих трансформаторов, питающих различные энергопотребители, в цепях электроснабжения следует устанавливать не только предохранители в каждой фазе, но и главный предохранитель или автоматический переключатель. При этом в зависимости от вида линии (с изолированной или заземленной нейтралью) по-разному решаются вопросы по защите линий 380/220 В при несанкционированных режимах. В первую очередь должны решаться вопросы электробезопасности, а также отключения цепи электроснабжения при к. з. фазы на корпус или землю. Исходя из этого в настоящее время утвержден ГОСТ Р 50571 (МЭК 364-4-41 – 92). В этом документе большая роль отводится различным дополнительным средствам защиты от аварийных режимов и электропоражений: пассивным — зануление и защитное заземление и активным — выключатели автоматические (ВА), предохранители (ПР) и устройства защитного отключения (УЗО), что должно обеспечить в совокупности многофункциональную систему защиты.