Loading

Zmiana systemu ochrony od zwarć doziemnych w kabinie sekcyjnej zamontowanej w budynku

mgr inż. Roman Gwiazda
kontroler Dziatu Sieci Zasilania w DRKP w Kielcach

 

"Trakcja i Wagony" nr 3/1981

UKD:61.311.4:621.332.23:621.316.9

Kabiny sekcyjne budowane pomiędzy podstacjami trakcyjnymi są rozdzielniami prądu stałego o napięciu 3 kV. Są one sterowane zdalnie z podstacji trakcyjnych. Ich zadaniem jest włączenie do pracy równoległej obu torów zelektryfikowanych, a także zapewnienie prawidłowej współpracy sąsiednich podstacji. Dzięki kabinie sekcyjnej znacznie zmniejszają się spadki napięcia oraz poprawia się pewność i selektywność wyłączania zwarć. Dzięki tym zaletom koleje francuskie w systemie elektryfikacji napięciem 1,5 kV oprócz kabin stosują dodatkowo "stacje równoległego łączenia", montowane pomiędzy kabiną sekcyjną a sąsiednią podstacją [6]

Jako system ochrony od porażeń i zwarć doziemnych stosuje się w kabinach z celkami - montowanymi w budynkach - uziemienie o-chronne. W celu zapewnienia wyłączalności zwarć montuje się dodatkowo iskiernik, którego zadaniem jest zamiana zwarcia doziemnego na międzybiegunowe. W praktyce okazało się, że iskierniki są elementem bardzo zawodnym i nie wytrzymują prądu zwarciowego oraz ulegają one natychmiastowemu zniszczeniu w momencie powstania zwarcia, co powoduje zapalenie się łuku i znaczne rozszerzenie zakresu uszkodzeń. W tej sytuacji ochronę od skutków zwarć doziemnych w kabinach, gdzie stosuje się iskierniki, należy uznać za mało pewną. Jeśli chodzi o ochronę od porażeń, to w rozdzielniach - gdzie oporność uziemienia mieści się w granicach normy - jest ona dostateczna, tym bardziej że w czasie prac konserwacyjnych oraz pomiarowych kabina jest wyłączana i odłączana od sieci.

Uszynienie ochronne kabiny sekcyjnej

Brak skutecznej ochrony od zwarć, potwierdzony wieloma awariami kabin sekcyjnych, skłonił konstruktorów do poszukiwania innych rozwiązań. W rezultacie opracowano nowy typ kabiny o znacznie uproszczonej budowie; jest ona montowana we wnętrzu typowego kontenera, a jej budowa była omawiana w jednym z numerów czasopisma "Trakcja i Wagony". Jako system ochrony od porażeń i zwarć, po stronie wysokiego napięcia, zastosowano tu uszynienie. Wymagane w takich warunkach odizolowanie uszynionych konstrukcji od ziemi - w przypadku kabiny kontenerowej - nie nastręcza większych trudności. Znacznie wzrasta wówczas rola kabli uszyniających; ich przekrój powiększono z 70 mim2 Cu do 2x240 mm2 Al.

Przyłączenie kabli do torów musi być wykonane w sposób wykluczający możliwość rozłączenia. Przed zbliżeniem się do kabiny, do obowiązków obsługi należy sprawdzenie stanu przyłącza kabli uszyniających. Dużą zaletą tego rozwiązania jest wyeliminowanie iskiernika jako elementu najbardziej zawodnego w starym systemie ochrony. Izolację od ziemi kontenera z urządzeniami zapewniają przekładki z tworzywa izolacyjnego. Jest to niezbędne, aby uniknąć szkodliwego działania prądów błądzących.

Zmiana ochrony w kabinie tradycyjnej

W Polsce istnieje około 200 kabin sekcyjnych w wykonaniu tradycyjnym. Przepisy zezwalają na ich eksploatację wtedy, gdy oporność uziomów ochronnych nie przekracza 0,5 oma, a w szczególnie trudnych warunkach geologicznych - 1,5 oma. W celu zwiększenia bezpieczeństwa obsługi i urządzeń stosuje się w nich dodatkowe środki zabezpieczające: zwiększenie przekroju kabli uszyniających do 2x240 mm2 Al, stosowanie dwu iskierników połączonych równolegle oraz stosowanie zabezpieczeń wyłączników szybkich przed gryzoniami i wyładowaniami atmosferycznymi (są to dwie, występujące najczęściej, przyczyny powstania zwarcia w kabinie). Niekiedy z powodu dużej rezystywności gruntu (skała, piasek) nie można uzyskać wymaganej oporności uziomów, pomimo silnego ich rozbudowania. Jedynym spo- ' sobem rozwiązania tej sytuacji jest przebudowa kabiny i zmiana systemu ochrony od zwarć oraz porażeń na uszynienie. . Po raz pierwszy na sieci PKP przebudowano w ten sposób kabinę sekcyjną Bąkowiec (DRKP w Kielcach). W dalszej części artykułu zostaną przedstawione uwagi na temat problemów związanych z przebudową tej kabiny. Przeróbki były wykonane na podstawie założeń sformułowanych w Dziale Sieci i Zasilania w DRKP w Kielcach, rozszerzonych i zaakceptowanych przez Centralne Biuro Studiów i Projektów Budownictwa Kolejowego w Warszawie [2].

Rozdzielnia 3 kV

Dotychczas metalowa konstrukcja rozdzielni była montowana bezpośrednio na betonowej posadzce. W trakcie przebudowy, po zlikwidowaniu uziemienia, przyłączono ją do magistrali uszyniającej. Ze względu na ochronę przed prądami błądzącymi rozdzielnię należy odizolować od ziemi. Najlepiej do tego celu nadają się płyty rezoteksowe lub tekstolitowe o grubości min. 10 mm, położone na podkładkach z gumy. Płyty powinny wystawać poza krawędzie metalowej konstrukcji na co najmniej 100 mm. Nie można wtedy stosować izolatorów ze względu na kable zasilaczy, które po podniesieniu rozdzielni mogą okazać się za krótkie, jak też z powodu trudności w konserwacji ruchomych członów rozdzielni.

Uszynienie

Przy torach należy zamontować skrzynkę przyłączową, jak w przypadku kabli powrotnych podstacji trakcyjnej. Zwiększyć trzeba również przekrój kabli uszyniających do minimum 2x240 mm2 Al. W kabinie należy ułożyć na izolatorach magistralę uszyniającą z płaskownika Cu o minimalnym przekroju 150 mm2. Do magistrali są przyłączone wszystkie konstrukcje metalowe rozdzielni WN i NN, pancerze kabli zasilaczy, obudowy prostowników zasilających obwody napędu i automatyki, obudowy grzejników oraz punkt zerowy transfor-' matora ochronnego. Kable uszyniające przyłącza się do magistrali uszyniającej za pośrednictwem przekaźnika nadprądowego typu RA-055, produkowanego przez Zakład Doskonalenia Zawodowego w Lublinie.

Przekaźnik ten działa przy przepływie prądu powyżej 300 A i powoduje przerwanie obwodu zasilania cewek trzymających wyłączniki szybkie. Wskazane jest wyposażenie automatyki w blokadę uniemożliwiającą samoczynne włączenie kabiny po zadziałaniu przekaźnika. Praktyka wykazuje, że po każdym zwarciu w kabinie, jej ponowne włączenie może odbyć się dopiero po sprawdzeniu aparatury.

Zasilanie potrzeb własnych kabiny

Zasilanie rozdzielni niskiego napięcia większości kabin odbywa się z odrębnego transformatora. Jeżeli uziemienie transformatora zapobiegające negatywnym skutkom przerzutu wysokiego napięcia na stronę niskiego napięcia - zostanie wykonane przez iskiernik, to punkt zerowy trafo można by przyłączyć do uszynienia kabiny i traktować szyny jako uziemienie ochronne (oporność przejścia szyny - ziemia wynosi około 1 oma, co przy niewielkich mocach potrzebnych do zasilania kabiny zapewnia skuteczność ochrony). W ten sposób można uniknąć stosowania transformatora ochronnego, który jest stosowany w kabinach kontenerowych oraz w Bąkowcu. Jest to transformator typu TB3Ca o S> = 6,3 kVA produkowany przez Spółdzielnię Elektryków w Łodzi. Przewody łączące uzwojenia pierwotne transformatora z zasilaniem muszą być odizolowane od metalowych konstrukcji kabiny. Transformator ochronny powinien być umieszczony w obudowie izolacyjnej, a jego punkt zerowy musi być uszyniony.

Ponieważ obudowy prostowników oraz innych urządzeń niskiego napięcia są uszynione, muszą one być odizolowane od betonowych ścian i posadzki. Izolacja ta, jak również izolacja przewodów NN musi wytrzymywać napięcie 0,6 kV w stosunku do ziemi.

Kable zasilaczy i kable uszyniające

Jak już wspomniano, kable uszyniające muszą mieć przekrój minimum 2x240 mm2 Al. Wytrzymałość napięciowa ich izolacji, w stosunku do ziemi, nie powinna być niższa niż 0,6 kV, a rezystancja izolacji zgodnie z [4] - nie mniejsza niż 0,5 megaoma. Najbardziej wskazanym sposobem przyłączania kabli do torów jest spawanie.

Rodzaj pomiaru Wartość dopuszczalna rezystancji Przyrząd pomiarowy
Rezystancja izolacji kabli zasilaczy 30 Mohm/km wg PN-76/ E-90300 induktor 1000V

t=20+-2°C

Rezystancja izolacji szyny zbiorczej w stosunku do ziemi min. 1000 Mohm induktor 2500V
Rezystancja izolacji WSe wg instrukcji fabrycznej induktor 1000V
Rezystancją izolacji obwodów niskiego napięcia do ziemi min. 10 Mohm induktor 1000V
Rezystancja pancerzy kabli zasilaczy do ziemi min. 1 Mohm/1km
wg PN-76/ E-90163
induktor 1000V
Rezystancja uszynionych konstrukcji i magistrali uszyniającej do ziemi min. 10 Mohm induktor ,1000V
Sprawdzenie ciągłości kabli uszyniających wg PN-66/ E-5024 miernik uniwersalny
Sprawdzenie rezystancji izolacji kabli uszyniających min. 0,5
wg PN-66/ E-5024
induktor 1000V

Niedopuszczalne, jako nie gwarantujące pewnego połączenia, jest przykręcenie kabli za pomocą śrub stopowych szyn. Należy podkreślić, że w przypadku uszynienia kabiny trzeba dużo uwagi poświęcać kontroli i utrzymaniu w dobrym stanie łączników szynowych, a także połączeń międzytokowych (max. odstęp 300 m) i międzytorowych (max. odstęp 600 m) [4].

Aby uniknąć szybkiej korozji pancerzy kabli zasilaczy i innych urządzeń podziemnych (np. kabli teletechnicznych), należy przed uruchomieniem kabiny sprawdzić stan izolacji pancerzy kabli w stosunku do ziemi. W razie niespełnienia warunków dotyczących stopnia odizolowania pancerzy podanych w [4] i [5], należy wymienić kable na nowe, najlepiej w izolacji z polwinitu. Pancerz i głowice kabli powinny być odizolowane od uszynionych konstrukcji przy sieci trakcyjnej, a w kabinie pancerze kabli należy przyłączyć do magistrali u-szyniającej linką o przekroju min. 16 mm2. Dzięki temu przebicie kabla zasilacza zostanie wykryte przy prądzie 300 A przez przekaźnik RA-055, który spowoduje wyłączenie wszystkich zasilaczy. Ograniczy to zakres szkód mogących powstać przy awarii kabla i zwiększy pewność wyłączenia zwarcia.

Automatyka

Zmiana systemu ochrony kabiny od porażeń i zwarć doziemnych nie wymaga zasadniczych przeróbek automatyki. Jedyną zmianą, spowodowaną zamontowaniem przekaźnika RA-055, jest włączenie jego styku rozwiernego w obwód cewki stycznika zasilającego prostownik obwodów automatyki. Zastosowano także blokadę uniemożliwiającą samoczynne włączenie kabiny po zadziałaniu przekaźnika nadprądowego. W przypadku występowania w przerabianej kabinie zasilaczy z próbą linii, uszynienie oporników próby linii należy przymocować do magistrali uszyniającej, tak aby prąd przepływał przez przekaźnik RA-055.

Pomiary

Zgodnie z wymaganiami "Przepisów eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych" po każdej przebudowie urządzeń rozdzielczych wykonuje się pomiary stwierdzające ich gotowość do włączenia pod napięcie.
Przed rozpoczęciem pomiarów stan urządzeń jest następujący: kabina wyłączona i odłączona od sieci, pancerze kabli zasilaczy odłączone, kable uszyniające odpięte z obu stron, napięcie zasilające kabinę po stronie niskiej wyłączone.
Rodzaje i warunki wykonywania pomiarów zostały ujęte w tablicy.
Rezystancję izolacji pancerza należy kontrolować okresowo, aby określić poziom korozji pancerza pochodzącej od prądów błądzących oraz aby zbyt niska jej wartość nie powodowała bocznikowania przekaźnika RA-055, uniemożliwiając jego działanie.
Przed uruchomieniem kabiny niezbędne jest również sprawdzenie stanu przyłącza i obwodów teletechnicznych, jak również zgodność ich wykonania z [3] oraz z "Wytycznymi o ochronie linii i urządzeń telekomunikacyjnych przed szkodliwym oddziaływaniem linii elektroenergetycznych i trakcji elektrycznej prądu stałego" - załącznik do Zarządzenia Ministrów Łączności, Górnictwa i Energetyki oraz Komunikacji z dnia 23.01.1974 r., a także z "Wytycznymi ochrony telekomunikacyjnych kabli szlakowych przed galwanicznym oddziaływaniem linii- i urządzeń elektrotrakcyjnych i elektroenergetycznych" - opracowanie COBiRTK z 1974 r.

Po wykonaniu pomiarów rezystancji izolacji urządzeń kabiny, należy sprawdzić działanie przekaźnika nadprądowego. W tym celu należy:
- przyłączyć uszynienie pancerzy kabli zasilaczy do magistrali uszyniającej,
- przyłączyć kable uszyniające i magistralę u-szyniającą do przekaźnika RA-055,
- włączyć wszystkie wyłączniki szybkie zasilaczy,
- przyłączyć wymuszacz prądowy do cewki przekaźnika RA-055.

Przy przepływie prądu stałego >300 A przekaźnik nadprądowy powinien zadziałać i wyłączyć wszystkie WSe.

Ochrona odgromowa 

Wszystkie zasilacze przebudowanej kabiny oprócz montowanych na sieci odgromników wydmuchowych powinny być wyposażone w odgromniki magnetyczno-zaworowe typu GZM 4/10, a rezystancja uziomów odgromowych kabiny nie może być wyższa niż 20 omów dla uziomu pojedynczego.

***

Uszynienie - jako system ochrony - jest znacznie pewniejsze w działaniu niż stosowane do niedawna uziemienie i uszynienie przez iskiernik. Niezbędne jest jednak spełnienie omówionych warunków dotyczących: jakości uszynienia, odizolowania metalowych konstrukcji i pancerzy kabli od ziemi, ochrony odgromowej oraz poprawności wykonania przyłączy teletechnicznych.
W przypadku trudności z uzyskaniem wymaganej rezystancji uziomów ochronnych kabin najkorzystniejszym rozwiązaniem - w wykonaniu tradycyjnym - jest zmiana sposobu o-chrony z uziemienia na uszynienie.

 

Bibliografia:

[1] Frontczak F.: Problemy ochrony przeciwporażeniowej w kolejowych urządzeniach elektrotr akcyjnych. Materiały z konferencji nt. Ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniach elektroene ge-tycznych o napięciu ponad 1 kV. Wrocław 1975
[2] Kwit J.: Analiza techniczno-ekonomiczna zmian-w urządzeniach ochronnych kabin sekcyjnycłi typu budynkowego. Warszawa . opracowanie CBSiPBK 1980
[3] PN-76/E-5125: Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe. Projektowanie i budowa.
[4] PN-66/E-5024: Ochrona podziemnych urządzeń metalowych przed korozją powodowaną prądami błądzącymi. Wymagania i badania techniczne.
[5] PN-76/E-90163: Osłony ochronne i pancerze kabli elektrycznych.
[6] Reseaux ćlectriąues de traction. Revue Generale de l'Electricite 1979 nr 9