Статья в журнале "Автоматика, связь, информатика" №4 за 2002 год.

Аналогичная статья опубликована в журнале "Локомотив" №12 за 2001 год.

О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ СЦБ

Н.В. ОЖИГАНОВ, руководитель группы автоблокировки Дорожной электротехнической лаборатории

Северо-кавказской дороги

С.Н. ОЖИГАНОВ, ассистент Южно-Российского государственного технического университета ЮРГТУ (НПИ)

В связи с регулярно повторяющимися на сети дорог случаями возгорания постов ЭЦ и согласно указаниям МПС на Северо-Кавказской дороге проведена проверка заземления постов ЭЦ и корректировка параметров токовых защит. Для выявления общей обстановки по хозяйству сигнализации, централизации, блокировки разработаны "Технические паспорта электроснабжения объектов СЦБ". Это позволило яснее увидеть всю картину электроснабжения устройств СЦБ и обнаружить некоторые опасные технические решения.

При проверке выявилось несоответствие существующих проектов заземляющих и вводных устройств постов ЭЦ новым ГОСТам, принятым в течение 1993–1996 г. Положение усугубляется тем, что нормативы ГОСТ Р 50571 и некоторые положения ПУЭ не учтены при составлении проектов электроснабжения и заземления новых постов ЭЦ с тональными рельсовыми цепями на вновь электрифицируемых участках. Также недостаточно учтен опыт эксплуатации старого оборудования, показавшего низкую степень надежности.

Даже после устранения замечаний совместных проверок работниками служб электрификации и энергоснабжения и сигнализации, централизации и блокировки в электроснабжении постов ЭЦ остались вопросы, требующие дальнейшей проработки и совершенствования устройств. Многие из этих вопросов требуют изменения проектов и вмешательства отраслевой науки.

По старым и новым проектам соединение главной заземляющей шины (PEN) вводного устройства (ВУ) постов ЭЦ (ЩВП или ЩВПУ) с заземлителем (РЕ) производится проводником из стального провода ПСО-5 с сечением 19,5 мм2. Но в электрической сети TN-C этот проводник входит в систему защитных проводников и, согласно ГОСТ Р50571.10-96 п. 543.1, должен иметь проводимость, не меньшую, чем у нулевого проводника питающей линии. Указанный проводник попадает в цепь блуждающего тока, возникающего в некоторых режимах работы электроустановок. В связи с этим его, как и магистраль заземления поста, необходимо выполнять стальной полосой сечением 25х4 мм. На дороге неоднократно отмечались случаи нагрева этих РЕ-проводников из ПСО-5 докрасна, что могло привести к пожару.

Система РЕ-проводников поста ЭЦ является частью последовательной цепи через землю для нулевых проводников и передаточным звеном для всех блуждающих токов двух подстанций. Чем лучше заземление, чем меньше его сопротивление растеканию, тем больший ток протекает по РЕ-проводникам при неполнофазном режиме сети (например, при сгорании одного из предохранителей на комплектной трансформаторной подстанции (КТП). Посты ЭЦ, имеющие сопротивление защитных заземлений менее 1 Ом, имеют наибольшую вероятность появления значительной величины блуждающего тока нулевой последовательности на заземляющем устройстве. На Северо-Кавказской дороге такая опасная ситуация наблюдается у 9 % постов ЭЦ. На них реконструкцию системы РЕ-проводников необходимо провести в первую очередь.

При проектировании и монтаже системы РЕ-проводников не учитывается требование ГОСТ Р 50571.10-96 (приложение "В") о том, что связь между заземлителем и ВУ должна быть выполнена по кратчайшему расстоянию. В реальных электроустановках эта связь между "щитком трех земель" и ЩВП-ЩВПУ выполнена по магистрали заземления и защитному проводнику, которые произвольно проходят по помещениям поста. Блуждающий ток, минуя зону действия токовых защит поста ЭЦ и КТП, неопределенное время может протекать РЕ-проводникам, вызвать их нагрев и возгорание в различных помещениях. Опасно и то, что эти проводники проходят по кабельным каналам, подчас запыленным.

На посту ЭЦ после объединения нулевых (PEN) и заземляющих (РЕ) проводников на ВУ (ЩВП-ШВПУ) выполняется их повторное объединение на вводной панели (проводники ЩПО, ЩПО-1), что категорически запрещено ГОСТ Р 50571.10–96, поскольку создается путь для попадания аварийного и блуждающего тока на любые стативы и панели.

Конструкция ВУ старого типа ЩВП-73 нуждается в безотлагательном оснащении полноценной шиной PEN, поскольку допущено подключение нулевых жил питающих кабелей и заземляющих проводников поста на одно болтовое соединение (клемма 02). Это противоречит требованиям ГОСТ Р 50571.3–94 (п. 413–1.3.2) и снижает электробезопасность. Также не допустимо подключение двух нулевых жил силовых отходящих кабелей на одно болтовое соединение (клемма 01), что создает возможность сильного перекоса фаз и аварийной ситуации сразу на обоих фидерах питания при нарушении контакта. Следует обратить внимание на то, что требование ВНТП/МПС-84 о безусловном присоединении каждого проводника системы заземления и зануления на отдельный болт в НТП СЦБ/МПС-99 и пр. 32 ЦШ 10.02-96 не вошло.

Расположение токовых защит и отключаемых ими коммутационных аппаратов на вводной панели, а не на ВУ, противоречит требованиям ГОСТ Р 50571.10-96 (п. 544.2.3), где сказано, что защитный проводник должен соединяться корпусами только того электрического оборудования, которое должно отключаться в случае срабатывания защитного устройства.

Ввиду отсутствия токовой защиты на ЩВП и ЩВПУ силовые кабели в помещениях поста ЭЦ и металлически связанное со всей системой заземляющих и нулевых проводников поста оборудование находятся в зоне защиты КТП. При аварии до отключения питания второй ступенью защиты на КТП по всей системе PEN-PE проводников поста протекают аварийные сверхтоки величиной до сотен ампер, путь, продолжительность и последствия протекания которых непредсказуемы. Под напряжением сети может оказаться все оборудование. Не отключаемый защитами ВУ поста участок сети от ЩВП–ЩВПУ до вводной панели создает зону потенциального электротравматизма при аварии.

При составлении паспортов электроснабжения объектов СЦБ выяснилось, что очень многие из них имеют сопротивление заземляющих устройств намного меньше, чем КТП. В этом случае на посту при аварии появляется несколько меньшее напряжение прикосновения, но в неблагоприятной ситуации оказываются все прочие потребители КТП. Заземление поста оказывается в последовательной цепи с заземлением подстанции и высокое напряжение прикосновения оказывается на всем зануленном оборудовании других потребителей. Происходит значительное смещение нейтрали подстанции и сильный перекос фаз по всей сети. Следствием этого является массовая порча электронного оборудования потребителей из-за перенапряжения.

Практика повсеместного устройства повторных заземлений в сети TN-C создает дополнительную опасность поражения блуждающими токами. Просматривается настоятельная необходимость применения для объектов СЦБ пятипроводной сети TN - S или сети ТТ без металлической связи N и РЕ-проводников.

Для реального повышения пожаробезопасности существующих и при строительстве новых постов ЭЦ необходимо реконструировать систему РЕ-PEN-проводников и привести ее к требованиям новых нормативов. Для этого требуется:

выполнять защитный РЕ-проводник от заземления до ЩВП-ЩВПУ шиной 25х4 мм и прокладывать его по кратчайшему расстоянию между заземляющим проводником и ВУ с соблюдением норм пожаробезопасности;

исключить повторное объединение PEN и РЕ-проводников на ВУ и на вводной панели;

оснастить ЩВП-73 полноценной шиной PEN;

уточнить нормативные документы по присоединению PEN-проводников и допустимые пределы разницы величин сопротивления заземления источника питания и потребителя.

В конструкции вводных устройств объектов СЦБ имеются особенности, не встречающиеся в аналогичных устройствах других ведомств и создающие дополнительные трудности при обслуживании. Выявлено много факторов, снижающих электробезопасность, надежность работы устройств и создающих пожароопасность всего здания поста ЭЦ.

В настоящее время функции вводного и распределительного устройства постов выполняют ЩВП или ЩВПУ и вводная панель, конструкция которых, место установки токовых защит и само предназначение не соответствуют многим требованиям ПУЭ и ГОСТов, а также общепринятой практике компоновки подобных устройств на промышленных предприятиях и в гражданских зданиях. Даже по внешнему виду ШВП-ЩВПУ больше похожи на один из стативов ЭЦ, чем на силовое вводное устройство. Вводная панель должна быть распределительной панелью для нагрузок поста, а защитами по току и напряжению необходимо оснастить вводное устройство главной силовой цепи.

Отсутствие рукояток управления фидерами на наружной поверхности ЩВП и ЩВПУ делает невозможным быстрое и безопасное ручное отключение электроэнергии в служебно-техническом здании при аварии внутри ВУ. Рубильники с короткими рукоятками в ЩВП нельзя назвать полноценными аппаратами управления, наличие которых обусловлено ПУЭ 7.1.19. Отсутствие защитных кожухов и дугогасительных камер противоречит требованиям ПУЭ 4.1.10. Сама попытка отключения электроустановки этими рубильниками может привести к появлению аварии даже в нормальном режиме работы.

Наличие схемы дистанционного отключения в ЩВПУ является недостаточным фактором надежности ввиду потенциальной угрозы отказов механизмов или "залипания" контактов. Отсутствие прорезей на дверце ЩВПУ для рукояток управления автоматических выключателей вынуждает производить операции с ними во всех режимах вблизи открытого монтажа фидеров, что создает риск для персонала при аварии и плохой видимости.

Конструкция ЩВПУ не позволяет выполнить требование ПУЭ 4.1.12, в котором сказано, что должна быть предусмотрена возможность снятия напряжения с каждого автоматического выключателя во время его ремонта. Выключение питания кнопкой дистанционного отключения не создает видимого разрыва цепи, необходимого для гарантии безопасности работы в электроустановке.

Неоправданно много работ в ЩВПУ приходится выполнять в условиях "опасного места", причем выполнять их надлежит по наряду и технологической карте. Однако в пособии "Устройства СЦБ. Технология обслуживания." (Москва, "Транспорт", 1999 г.)технологическая карта на наиболее опасные работы по обслуживанию автоматов ЩВПУ отсутствует. Опасность еще больше увеличивается от того, что персонал ШЧ, как правило, не имеет достаточного опыта работы в электроустановках 0,4 кВ. Установленная периодичность таких регламентных работ (1 раз в 2 года) не соответствует общепринятым в электротехнике срокам обслуживания подобных устройств (1 раз в год).

При отключении автомата в ЩВПУ под напряжением остается вся нижняя часть шкафа, клеммы кабелей и разрядники. Наличие вблизи места работ не отключенных и не огражденных токоведущих проводников других источников питания делает регламентные работы по обслуживанию оборудования внутри ЩВП-ЩВПУ невозможными или крайне опасными. Вопреки требованиям ПЭЭП п. Б 2.3.7 отсутствует возможность ограждения токоведущих частей, доступных непреднамеренному прикосновению.

Средства аварийного отключения расположены в релейной на вводной панели, а в ЩВП – только рубильник для создания "видимого разрыва". Это противоречит требованиям ГОСТ Р 50571.7–94 п. 464.3, в котором сказано, что устройство должно быть таким, чтобы отключение соответствующего источника питания производилось одним воздействием. При отключении автомата в ЩВПУ под напряжением остается слишком много оборудования. Реальное быстрое отключение поста ЭЦ при аварии подчас возможно только с полным погашением нескольких подстанций или всего узла.

Объекты СЦБ, имеющие токовую защиту предохранителями на вводной панели и ныне принятые типы коммутационных аппаратов на вводном устройстве, практически обречены при отказе или задержке срабатывания защит КТП, поскольку уставка срабатывания автоматов в ЩВП-ЩВПУ обычно намного выше тока даже трехфазного "металлического" короткого замыкания (КЗ).

Отсутствие в ЩВП и ЩВПУ несгораемых разделительных перегородок между фидерами основного и резервного питания и постоянного тока противоречит требованиям ГОСТ Р 50571.3–94 п. 412.4.1. Это создает условия для развития КЗ через дугу на всех фидерах по всему объему ЩВП и ЩВПУ, многократно увеличивая тяжесть аварии. Представляется странным, что раздельно проложенные закрытые силовые кабели различных взаимно резервируемых источников сходятся на таком близком расстоянии в одном объеме ЩВП-ЩВПУ.

Нижнее расположение вводных клемм силовых питающих кабелей не встречается ни в каких общепромышленных устройствах и противоречит требованиям ПУЭ 3.1.6, где сказано, что присоединение питающего проводника к аппарату защиты должно выполняться к неподвижным контактам. При работе внутри ЩВП и ЩВПУ персонал подвергается большой опасности поражения током мощного короткого замыкания сразу двух подстанций от случайного падения на не отключенные вводные клеммы металлических деталей и инструмента. При КЗ через дугу внутри вводного устройства на эти клеммы падают отгоревшие детали оборудования, расширяя зону аварии.

Низковольтные разрядники, расположенные в нижней части ЩВП-ЩВПУ без защитных кожухов и ограждений, часто сами являются источником аварии при их разрушении от мощных импульсов перенапряжения в системе тягового и не тягового электроснабжения. При каждом открывании дверцы персонал подвергается риску внезапного срабатывания и разрушения не огражденных разрядников. Расположение разрядников под клеммами других фидеров в ЩВП требует прокладки в одном жгуте проводников различных источников. При срабатывании и разрушении разрядника короткое замыкание и дуга быстро и беспрепятственно распространяются по шкафу.

Конструкцией ЩВП и ЩВПУ не предусматривается наложения временного переносного заземления при производстве работ. Это серьезно снижает безопасность обслуживания ввиду того, что мощность трансформаторов и мощность КЗ питающих подстанций весьма значительна. Есть устройства АВР, но не предусматривается создание видимого разрыва цепи рубильником или отсоединением и закорачиванием питающих проводников.

Большие индуктивности, особенно на фазе с феррорезонансными преобразователями частоты, еще более увеличивают амплитуду импульсов перенапряжений из внешней сети. Нередки случаи порчи от перенапряжений аппаратуры, расположенной после всех каскадов защит. Остаточное напряжение на применяемых типах разрядников слишком велико для электронной аппаратуры поста. Необходимо рассмотреть вопрос о снижении волнового сопротивления объекта и о сглаживании пиков перенапряжений конденсаторами, которые надо установить во вводном устройстве в дополнение к разрядникам.

Вопреки общепринятой практике изготовления подобных устройств в ЩВП и ЩВПУ для крепления токопроводящих частей применяется не огнестойкая керамика, а пластмассовые клеммные колодки, подверженные скрытому прогоранию с образованием токопроводящей дорожки (деталь 15887-20-00), где расстояние от заземленных до токопроводящих частей менее 20 мм, обусловленных ПУЭ 4.1.14, и составляет реально 5–6 мм.. От воздействия близкой электрической дуги пластмассовая изоляция всех фидеров обугливается и зона аварии расширяется

Изобилие внутри ЩВП и ЩВПУ дополнительных болтовых соединений, клеммных колодок и переходных проводников снижает надежность работы устройства, создает дополнительные переходные сопротивления контактов. Резиновые уплотнения кабелей на крышке ЩВПУ не могут препятствовать распространению огня по кабельному каналу в помещении релейной.

Наличие внутри ЩВПУ блоков автоматики фидера постоянного тока и дистанционного отключения снижает надежность работы электроустановки. При порче этих блоков от дуги при коротком замыкании внутри шкафа полностью парализуется вся работа поста ЭЦ.

Нуждается в доработке методика выбора и корректировки уставок токовых защит на посту ЭЦ и КТП. Существующая методика выбора уставок токовых защит не учитывает то обстоятельство, что при расчетах тока КЗ ЛЭП автоблокировки, особенно со стальными проводами, нельзя рассматривать как систему неограниченной мощности. Наличие на КТП гальванической развязки с трансформаторами небольшой мощности (40–100 кВА) и большая протяженность высоковольтных ЛЭП вносят значительные дополнительные сопротивления в цепь КЗ, которые необходимо учитывать согласно ПУЭ 1.4.11.

Цепь короткого замыкания на посту ЭЦ благодаря тройной трансформации на соизмеримых по мощности трансформаторах КТП и поста имеет крутопадающую внешнюю характеристику, очень благоприятную для возникновения и поддержания электрической дуги. Вследствие этого почти все КЗ в сети 0,4 кВ электроснабжения СЦБ происходят через дугу при аварийном сверхтоке, который значительно меньше расчетного. При коротком замыкании индуктивности поста оказываются включенными параллельно – последовательно дуге и выполняют роль осциллятора (источника высокочастотных импульсов дуговых сварочных устройств). При выборе уставок токовых защит по действующей методике не учитывается требование ГОСТ Р 50571.3–94 (п. 413.1.3.3 и п. 413.1.3.5) о допустимом времени отключения аварии не более 0,4 с для сети TN-C и не более 5 с для распределительной сети.

При действии упомянутых выше факторов авария настолько затягивается, что отключение происходит лишь после полного выгорания оборудования в зоне аварии или при сваривании толстых медных проводников и образования "металлического" КЗ. Для защиты объектов СЦБ необходима разработка специальных быстродействующих устройств и уточненной методики расчета тока короткого замыкания.

Вызывает сожаление, что при расчете уставок токовых защит объектов СЦБ никак не учитывается допустимое время перерыва питания 1,3 с. При КЗ через дугу на посту ЭЦ в "маломощной" ЛЭП автоблокировки происходит значительное и продолжительное снижение напряжения на ближайших перегонах. Напряжение основного питания перегонных устройств становится ниже допустимой нормы, но выше порога отпадания аварийных реле АСШ2-220 сигнальных точек. В результате зона нестабильной работы СЦБ распространяется на десятки километров.

Эксплуатация электроустановок СЦБ показала необходимость введения практики регулярного сопоставления значения сопротивления цепи фаза – ноль или расчетного и измеренного в процессе эксплуатации тока короткого замыкания. По их результатам необходимо откорректировать уставки токовых защит линии 0,4 кВ на объекте СЦБ и питающих подстанциях с учетом реального тока КЗ. Если он согласно измерений значительно меньше расчетного, то может оказаться, что в цепи нулевых проводников питающих кабелей есть обрыв цепи или большое переходное сопротивление на контактных соединениях. В этом случае в трехфазной электроустановке ток протекает не по нулевой жиле, а по заземляющим РЕ-проводникам и заземлителю. Ток однофазного КЗ в такой ситуации не достигнет расчетных значений и не вызовет срабатывания защит. При паспортизации устройств СЦБ это можно выявить своевременно.

Расположение и монтаж ЩВП-ЩВПУ не согласуются с ПУЭ 7.1.22, согласно которому вводное устройство должно располагаться в огражденной запираемой нише или в щитовой. Открытая уставка вводного устройства возле входа в служебно-техническое здание ("Правила по монтажу устройств СЦБ", пр. 32 ЦШ от 10.02.96 г., п. 11.2.9) с постоянным присутствием не электротехнического персонала (дежурных по станции) создает дополнительную опасность при эвакуации и пожаротушении. Возле входа в незакрытой нише или просто в коридоре оказывается не отключаемое вводное устройство, нагреваемые блуждающим и аварийным током РЕ-проводники и силовые кабели в помещениях поста. Не огражденный горящий объект возле входа вынуждает проводить эвакуацию через окна.

Комплекс токовых защитных устройств объекта СЦБ нуждается в переносе с вводной панели на вводное устройство, так как они сами могут стать источником повреждения и их расположение в помещении релейной на вводной панели среди плотно расположенного оборудования не соответствует ПУЭ 4.1.8. Первая ступень токовой защиты на вводной панели защищает лишь 2–3 метра проводников. На самом ответственном участке сети в помещениях поста вводное устройство с разрядниками и силовые кабели оказываются в конце зоны защиты КТП со второй, более грубой ступенью уставки токовой защиты.

Согласно ПУЭ 3.1.15 и ГОСТ Р 50571.9–94 п. 473.2 для обеспечения надлежащей чувствительности токовые защиты необходимо устанавливать в месте уменьшения сечения проводников сети, т. е. на вводном устройстве. Комплекс устройств СЦБ находится на более высоком уровне технического обслуживания по сравнению с оборудованием КТП. Расположение защищаемого оборудования по разные стороны эксплуатационной и оперативной ответственности может затянуть ликвидацию аварии. Оптимальным местом расположения защит является вводное устройство, находящееся на границе эксплуатационной ответственности подразделений.

В самой дальней точке зоны защиты КТП (от вводных клемм силовых питающих кабелей до предохранителей) по конструкциям вводной панели силовые проводники 0,4 кВ проложены в общем жгуте с проводниками вторичной коммутации и лишены защитного огнестойкого покрытия. Это сводит на нет всю работу по разделению силовых и сигнальных кабелей за последние 15 лет. При проектировании необходимо предусматривать их реальное разделение.

Нуждается в корректировке практика распределения токовых нагрузок по фазам. Выяснилось, что на большинстве объектов СЦБ ток на фазе с преобразователями частоты ПЧ 50/25 в два–три раза больше, чем на других фазах. Проектами часто предусматривается подключение на эту же фазу и других гарантированных и негарантированных нагрузок. При эксплуатации она перегружается, появляется асимметрия токов, напряжений и значительный ток нулевой последовательности по системе PEN-проводников. В результате возникает необходимость увеличения мощности трансформаторов основного питания СЦБ выше проектного номинала.

При анализе отказов устройств СЦБ выяснилось, что в ряде случаев при неполнофазном режиме на одном из фидеров питания постов ЭЦ не происходит переключение на другой исправный источник. Причиной отказа явилось то, что в это время к поврежденному фидеру были подключены работающие трехфазные асинхронные двигатели, являющиеся генераторами обратной последовательности. Величина напряжения обратной последовательности от достаточно мощных двигателей достигает величины напряжения прямой и ее хватает как для притяжения, так и для неотпадания аварийных реле на вводной панели. В результате возникают трудно объяснимые сбои устройств.

Источником напряжения обратной последовательности могут быть асинхронные двигатели в котельной поста, подключенные к прочим нагрузкам вводной панели. В некоторых случаях эти прочие нагрузки подключаются прямо на шины гарантированного питания через отдельную группу предохранителей. При наличии на посту ЭЦ трехфазных асинхронных двигателей требуется установка защиты от обратной последовательности в месте их присоединения.

Зачастую, при нынешних особенностях энергоснабжения СЦБ, тяжелые аварии возникают вне зависимости от уровня технического обслуживания, а эксплуатация устройств связана с неоправданным риском.

Система электроснабжения постов ЭЦ имеет немаловажное значение для обеспечения безопасности движения поездов и обслуживания дорогостоящих постовых устройств, она не должна допускать длительный перерыв в работе электрической централизации.

Для улучшения работы устройств электроснабжения необходимо принять следующие меры: установить в вводном устройстве наружные рукоятки ручного управления фидерами, рубильники для создания видимого разрыва цепи, несгораемые перегородки между фидерами и защитные кожухи для разрядников; расположить вводные клеммы питающих кабелей вверху шкафа, заменить их изоляцию на огнестойкую, сократить количество дополнительных клемм и переходных проводников; перенести токовые защиты питающих фидеров с вводной панели на ВУ и решить вопрос о выносе из шкафа ВУ блоков автоматического управления; разработать новые устройства токовых защит и методику их расчета.

Кроме этого для объектов ЭЦ необходимо применить электрическую сеть TN-C-S или ТТ; реально разделить силовые проводники на всем протяжении от проводников вторичной коммутации; максимально разгружать фазы с преобразователями частоты от прочих нагрузок и более равномерно распределять нагрузку по фазам.

Также необходимо дальнейшее совершенствование защиты от перенапряжений и внедрение защиты от обратной последовательности, а также приведение времени срабатывания токовых защит объектов СЦБ в соответствие с требованиями ГОСТ и ПТЭ железных дорог; введение паспорта электроснабжения объектов СЦБ, регулярное корректирование уставки токовых защит по расчетному и реальному измеренному сопротивлению или току КЗ цепи фаза – ноль, введение практики установки переносных заземлений в сети 0,4 кВ.