Sieci powrotne zelektryfikowanego szynowego transportu miejskiego

Leszek Mierzejewski, Adam Szeląg Sieci powrotne zelektryfikowanego szynowego transportu miejskiego W miejskim zelektryfikowanym transporcie szynowym szyny jezdne stanowią jeden z dwóch przewodów obwodu elektrycznego układu zasilania: powrotnego (przyłączonego do szyny minusowej podstacji trakcyjnej) lub zasilającego (przyłączonego do szyny plusowej podstacji). Rozwiązaniem typowym w warunkach polskich jest wykorzystanie szyn jezdnych jako przewodu powrotnego i w artykule omówiono taką konfigurację obwodu. Obwód powrotny układu zasilania obejmuje oprócz szyn jezdnych połączenia poprzeczne międzytokowe i międzytorowe, obwody uszynień, kable powrotne i szynę minusową podstacji trakcyjnej oraz ewentualnie dławiki torowe (w przypadku stosowania obwodów torowych). Z zasady jednak w transporcie miejskim szyny jezdne nie są wykorzystywane jako tor sygnałowy dla urządzeń zabezpieczenia i sterowania ruchem. Dlatego też wymagania dotyczące minimalnej wielkości rezystancji przejścia szyn do ziemi jednego toru lub torów linii wielotorowej nie muszą spełniać wymagań stawianych sieciom powrotnym linii kolejowych ze względu na prawidłowość działania tych obwodów. Różne są także warunki środowiskowe, w których pracują sieci szynowe trakcji kolejowej i miejskiej. Nasycenie obszarów miejskich urządzeniami podziemnymi (kable, rurociągi, fundamenty itp.) wymusza dla miejskiej trakcji elektrycznej znacznie ostrzejsze wymagania odnośnie prądów błądzących niż dla trakcji kolejowej. Pomimo że napięcia robocze obwodów zasilania miejskiej trakcji elektrycznej (0,6 0,75 kv) są niższe [21] od napięć trakcji kolejowej, wymagania ochrony przeciwporażeniowej z racji łatwego dostępu do urządzeń i sieci trakcyjnej (konstrukcje wsporcze, szyny) na terenie zurbanizowanym powinny być ostrzejsze od analogicznych wymagań stawianych obwodom zasilania trakcji kolejowej. O ile same porażenia nie muszą być od razu śmiertelne, to szok wywołany np. przez dotknięcie wagonu lub konstrukcji (słupa, wiaty) może spowodować wypadek i uszkodzenia ciała. W normalnych warunkach pracy systemu transportu szynowego na urządzeniach konstrukcji i obwodach powrotnych nie powinny występować w stosunku do ziemi lub szyn napięcia o wielkościach mogących stanowić zagrożenie bezpieczeństwa użytkowników linii, personelu obsługi i osób postronnych. W stanach awaryjnych (uszkodzenie izolacji, zerwanie sieci trakcyjnej, awaria w pojeździe itp.) system powinien spełniać wymagania ochrony przeciwporażeniowej (wielkości napięć i czasy ich odłączenia). Zgodnie z wymaganiami normy [32] infrastruktura zelektryfikowanego transportu powinna mieć jeden zintegrowany system ochrony wokół trasy linii, a problemy bezpieczeństwa funkcjonowania systemu w stanach roboczych i awaryjnych powinny być uwzględnione już na etapie jego projektowania i weryfikowane pomiarowo w trakcie uruchamiania i eksploatacji. W wymienionej normie [32] występuje jednak pewna dwuznaczność, która może powodować problemy interpretacyjne. Otóż chociaż typowym rozwiązaniem stosowanym w sieciach transportu szynowego w Polsce jest izolowanie w podstacji trakcyjnej bieguna, do którego przyłączone są szyny jezdne (poza kilkoma wyjątkami jest to minus prostownika) nie występuje powszechnie stosowane pojęcie uszynienia (jako przyłączenie części przewodzących do szyny jezdnej jako elementu obwodu powrotnego), a jedynie pojęcie uziemienia układu trakcyjnego, jako połączenia między częściami przewodzącymi a ziemią systemu trakcyjnego. Z kolei jako ziemia systemu trakcyjnego definiowana jest szyna jezdna, stosowana jako obwód powrotny i połączony celowo ziemią. A co w takim razie z szyną jezdną, stanowiącą element obwodu powrotnego, która nie jest celowo połączona z ziemią? Stąd, ze względu na klarowność wywodu autorzy niniejszego referatu uznają za celowe stosowanie rozdzielnie pojęć: uszynienie (w rozumieniu podanym wyżej) i uziemienia, jako połączenia z uziomem (naturalnym lub sztucznym). Szyny toru, jako element obwodu zasilania, są wykorzystywane w charakterze przewodu uszyniającego, przez który domykane są prądy zwarciowe przy uszkodzeniach izolacji połączonych z szynami (uszynionych) przewodzących części obcych w strefie bezpośredniego oddziaływania odbieraka prądu i sieci trakcyjnej (konstrukcje wsporcze, wiaty, wiadukty itp.). Uszynienie przewodzących części obcych (w normalnych warunkach niewchodzących w skład obwodu przewodzącego robocze prądy trakcyjne) wywiera istotny wpływ na: a) skuteczność wyłączania prądów zwarciowych w przypadku uszkodzenia lub zbocznikowania izolacji głównej sieci trakcyjnej (górnej lub bocznej), b) upływność prądów błądzących, c) bezpieczeństwo użytkowników systemu i personelu. Stosowane są uszynienia: bezpośrednie (zamknięte) i pośrednie (otwarte) wykorzystujące w charakterze przerw izolacyjnych w obwodzie uszyniającym w normalnych warunkach roboczych urządzenia zwierające (zwierniki-ochronniki napięciowe, iskierniki, urządzenia półprzewodnikowe lub stycznikowe), które czasowo lub trwale tworzą połączenie przewodzące w razie przekroczenia dopuszczalnej wielkości napięcia (rys. 1); indywidualne (gdy uszynieniu podlega pojedyncza konstrukcja wsporcza) lub grupowe (gdy stosuje się specjalne przewody uszyniające grupę elementów). Bardziej skomplikowane uszynienia pośrednie (np. uszynienie grupowe otwarte) spełniają wymagania w odniesieniu do zagadnień a), b) i c), gdyż w normalnych warunkach roboczych (kiedy napięcie szyny uszyniana konstrukcja jest niskie) konstrukcja jest izolowana od szyn, natomiast w przypadku pojawienia się zbyt wysokiego napięcia konstrukcja szyny (np. w przypadku uszkodzenia izolacji głównej sieci trakcyjnej) przerwa izolacyjna jest samoczynnie domykana i konstrukcja staje się przejściowo (do czasu zaniku napięcia) uszyniona (zwarcie do konstrukcji wsporczej staje się zwarciem metalicznym). Warunkiem koniecz- 56 7-8/2005

Rys. 1. Przykład uszynienia grupowego otwartego stosowanego na liniach PKP a) schemat uszynienia grupowego konstrukcji wsporczych, b) przyłącze kabli powrotnych do szyn, c) połączenie wyrównawcze międzytokowe i międzytorowe, d) połączenie obejściowe na złączu skręcanym szyn Rys. 2. Maksymalne dopuszczalne wartości napięcia dotykowe U rdd (ręka nogi) w zależności od czasu ich występowania i biegunowości 7-8/2005 57

Rys. 3. Dopuszczalne wartości zastępcze napięć rażeniowych dotykowych: ręka nogi przy założeniu, że dla czasów trwania do 0,5 s (w stanach awaryjnych) uwzględniono dodatkową rezystancję 1 kw (mokre obuwie) oraz napięć szyn U a w warunkach normalnej eksploatacji U c1 - napięcie rażeniowe odpowiadające krzywej z IEC-497-1:1994; U t - napięcie dotykowe o czasie trwania do 0,5 s; U i - wartości interpolowane między U t i U c1 nym zapewniającym bezpieczeństwo pasażerów jest skuteczne i szybkie wyłączenie każdego zwarcia w jak najkrótszym czasie, tak aby napięcia rażeniowe występowały jak najkrócej. Na rysunku 2 zamieszczono wykres maksymalnych dopuszczalnych ze względu na bezpieczeństwo napięć rażeniowych dotykowych U rdd w funkcji ich maksymalnego dopuszczalnego czasu trwania (trwania zwarcia), w ciągu którego urządzenie (element dostępny) znajduje się pod napięciem (EN-50179). Jak można zauważyć, przy prądzie zstępującym (ujemny potencjał stóp) zagrożenie jest mniejsze (dopuszczalne są większe wartości napięć dotykowych). Jest to argument za stosowaniem dodatniej biegunowości sieci trakcyjnej, gdyż wtedy w typowej sytuacji awaryjnej (przebicie izolatora) konstrukcja wsporcza ma potencjał wyższy niż szyny (lub ziemia), na której znajdują się stopy osoby zagrożonej porażeniem. Z kolei na rysunku 3 przedstawiono dopuszczalne napięcia zastępcze rażeniowe w funkcji czasu trwania występowania napięcia (wg [32]), przy czym dla czasu powyżej 300 s dopuszczalne są napięcia szyn dla linii kolejowych 120 V, zaś w pomieszczeniach o szczególnym charakterze 60 V. Należy także zwrócić uwagę na możliwość pojawienia się napięcia rażenia przy dotknięciu pojazdu. W tym przypadku napięcie dotykowe może być większe niż odpowiednie napięcie szyny ziemia, ze względu na impedancję przejścia pudło pojazdu szyny. Według normy EN50153 [34], dotyczącej zasad bezpieczeństwa w celu ochrony ludzi od porażeń, które należy stosować przy projektowaniu i konstrukcji instalacji elektrycznych i urządzeń do zainstalowania w taborze trakcyjnym, ochrona przed dotykiem pośrednim polega przede wszystkim na odpowiednim połączeniu elektrycznym pudła pojazdu z szyną. Bierne przewodzące części w pojeździe mogą spowodować porażenie poprzez indukcję lub kontakt z częściami znajdującymi się pod napięciem w warunkach zakłóceniowych. Należy doprowadzić do tego, aby wszystkie części bierne przewodzące miały ten sam potencjał co szyny poprzez zastosowanie uszynienia ochronnego lub w połączeniu z automatycznym odłączeniem napięcia (nie wolno do tego celu używać łożysk). Powinny być zastosowane przynajmniej dwa niezależne układy uszynienia między pudłem pojazdu i szyną. Maksymalna wielkość rezystancji między pudłem pojazdu a szyną jezdną nie powinna być większa niż: 0,05 Ω dla jednostek trakcyjnych/lokomotyw, 0,15 Ω dla wagonów (mierzone przy prądzie stałym 50 A, na czystej szynie). W przypadku kontaktu uszkodzonej sieci trakcyjnej z pudłem pojazdu (np. po zerwaniu sieci trakcyjnej), powinno wystąpić obniżenie napięcia do wymaganych poziomów w najkrótszym możliwym czasie. Zwarcie takie normalnie powinno być wyłączane przez wyłącznik szybki podstacji (norma [32]). Jeżeli obliczenia lub pomiary wykażą możliwość pojawienia się napięć o wielkościach wyższych niż podane w normie [32], należy przedsięwziąć środki, aby obniżyć potencjał szyn i występujące w strefie oddziaływania systemu napięcia do wielkości poniżej dopuszczalnych wielkości, co jest warunkiem podstawowym prawidłowej eksploatacji szynowych sieci powrotnych, w zakres której wchodzi utrzymanie: ciągłości elektrycznej szyn i połączeń prądowych, ciągłości elektrycznej obwodów uszynień, właściwości izolacyjnych toru w stosunku do ziemi. Zagadnieniem wymagającym rozwiązania już na etapie tworzenia koncepcji układu komunikacyjnego i projektowania technicznego jego elementów w odniesieniu do szynowych sieci powrotnych są: zastosowanie środków wymaganej ochrony przeciwporażeniowej, zapewnienie skutecznego wyłączania zwarć metalicznych, zapewnienie skutecznego wyłączania zwarć doziemnych, zastosowanie środków ograniczających do wymaganego minimum przypływy prądów błądzących w obwodzie szyny ziemia, zapewnienie nieprzekroczenia wymaganych wartości wzdłużnych spadków napięć sieci szynowej, analizy finansowe i ekonomiczne. Metody obliczeń obwodów powrotnych sieci trakcyjnej Kryteria i parametry graniczne dotyczące sieci powrotnych określone w normach [31, 32] i dyrektywach Unii Europejskiej oraz publikacjach [1, 8, 10, 11, 14, 18, 23, 24, 28] obejmują następujące wielkości charakterystyczne: dopuszczalny wzdłużny spadek napięcia w sieci U R [V/km], rezystancja jednostkowa wzdłużna sieci szynowej r R [Ω/km], rezystancja jednostkowa przejścia z sieci szynowej do ziemi r R-G [Ωkm] (lub konduktancja g R-G = 1/r R-G [S/km]), 58 7-8/2005

napięcie szyny ziemia (potencjał szyn względem ziemi) U R-G [V], prąd roboczy I [A], prąd płynący w szynach I R [A], prąd płynący w ziemi (błądzący) I S [A], prąd zwarcia metalicznego I zw [ka], prąd zwarcia doziemnego I zw [ka], czas wyłączania zwarcia t z [ms], napięcia rażeniowe U rdd [V] w stanach roboczych i awaryjnych, oraz ogólne wymagania dotyczące bezpieczeństwa i projektowania układów zasilania obejmujące: środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim (dawniej podstawowej ochrony przeciwporażeniowej), środki ochrony przed dotykiem pośrednim (dawniej dodatkowej ochrony przeciwporażeniowej), przepisy i wytyczne dotyczące struktury obwodów układu zasilania (rozmieszczenie i typy podstacji, konfiguracja i parametry kabli zasilających i powrotnych, sieci szynowej). Na rysunkach 4a-e zamieszczony jest uproszczony schemat szynowego obwodu powrotnego (a), schemat zastępczy układu szyny ziemia (b), poglądowe wykresy przebiegów prądu szyn I R, prądu płynącego w ziemi I B (c,d) oraz potencjału szyn U R w stosunku do ziemi, a także poprzeczny rozkład potencjałów dla skończonej wielkości rezystancji wzdłużnej i poprzecznej (e). Podstawowe zależności w obwodzie z rysunku 4, przy założeniu stałej wielkości prądu roboczego I oraz jednorodnej rezystywności gruntu i stałych rezystancji w obwodzie modelującym układ szyny ziemi (drabinkowym) opisują zależności: gdzie: mi U R (x) = sh(kx) (1) l ch(k ) 2 I I R (x) = ch(kx) (2) l ch(k ) 2 m = r R r R-G (3) r R k = (4) r R-G Obliczanie parametrów elektrycznych sieci górnej (jezdnej i kabli zasilających), ze względu na jednoznaczne określone obszary zasilania i zwykle niezbyt rozbudowaną konfigurację dzielnic jest dość proste. Z kolei analiza parametrów elektrycznych pracy sieci powrotnej (szyn jezdnych i kabli powrotnych), ze względu na brak sekcjonowania jest zagadnieniem bardziej złożonym. W poprzednio obowiązującej normie PN-92 E-05024 [31], w odniesieniu do linii tramwajowych nakładano następujące wymagania: rozmieszczenie punktów powrotnych należało określić na podstawie obliczenia średniego rocznego spadku napięcia w szynach, przy następujących założeniach: brak upływu prądu z szyn do ziemi, równomierny rozkład obciążenia odcinków sieci, rezystancja szyn zwiększona o 15%, uwzględniająca ich średnie zużycie; średni roczny spadek napięcia w szynach obliczany był przy powyższych założeniach na drodze od punktów powrotnych do punktów rozpływu lub do krańców sieci szynowej nie powinny przekraczać wartości zestawionych w tablicy 1. Tablica 1 Dopuszczalny średnioroczny spadek napięcia w szynach według nieobowiązującej normy PN-92 E-05024 Konstrukcja toru Średnioroczny spadek napięcia w szynach [V] Tor w jezdni lub na torowisku wydzielonym, lecz w bardzo złym stanie szyny zakryte po główkę asfaltem lub ziemią, podłoże 1,0 z betonu lub piasku Tor w jezdni lub na torowisku wydzielonym na podkładach drewnianych lub betonowych, spoczywających na tłuczniu Tor na rozgałęzionym odcinku wybiegowym torowisko wydzielone, na podkładach drewnianych, ułożonych na tłuczniu 2,5 10,0 Norma ta została zastąpiona przez normę PN-EN 50122-2 [33], w której kryterium spadków napięć nie ma zastosowania, a jedynie ograniczono się do sformułowania wymagać co do wartości rezystancji przejścia między szynami a ziemią r R-G lub jednostkowej konduktancji przejścia między szynami a ziemią g R-G ujęte w normie EN 50122-2 [32] zamieszczono w tablicy 2. Obszerny komentarz i omówienie zakresu zmienności parametrów napięciowych i rezystancyjnych sieci szynowych zamieszczono w publikacji [11]. Tablica 2 Wymagane wartości jednostkowej konduktancji przejścia między szynami a ziemią dla odcinków toru pojedynczego Rodzaj torowiska teren otwarty g R-G [S/km] tunel Otwarte torowisko tramwajowe 0,5 0,1 zamknięte torowisko tramwajowe 2,5 Kolej 0,5 0,5 Konduktancja przejścia szyny ziemia zależy od przyjętej konstrukcji toru, wilgotności gruntu, temperatury oraz rezystywności gruntu. Aby nie ograniczyć się jedynie do kontroli wartości konduktancji przejścia, która może się zmieniać w warunkach eksploatacyjnych, w normie [33] wprowadzono wymaganie dotyczące wykonania studium szacującego problem prądów błądzących, tak aby można było znaleźć rozwiązanie optymalne. Należy jednak mieć na uwadze, że środki ochrony przeciwporażeniowej mają pierwszeństwo przed środkami ochrony przed oddziaływaniem prądów błądzących. Studium to powinno także dotyczyć obliczeń obwodów powrotnych sieci trakcyjnej w celu ich prawidłowego skonfigurowania poprzez wyznaczenie lokalizacji punktów przyłączenia kabli powrotnych (o odpowiednim przekroju) do szyn zapewniające taki rozpływ prądów, przy którym spełnione będą następujące cele cząstkowe (ich wielkości graniczne stanowią kryteria oceny obwodu powrotnego): nieprzekraczanie dopuszczalnych wielkości napięć rażeniowych i potencjałów szyn (rys. 2 i 3), wyznaczone nastawy zabezpieczeń nadmiarowo-pradowych w obwodzie głównym, na poziomie zapewniającym efektywne wyłączanie zwarć, wyznaczone nastawy prądowe lub napięciowe zabezpieczeń ochrony ziemnozwarciowej, 7-8/2005 59

Rys. 4. Uproszczony schemat obwodu szynowego przy zasilaniu pojedynczego odbioru jednostronnie z podstacji trakcyjnej (a), schemat zastępczy (b), przebiegi prądu szyn I R (c) i w ziemi I S (d) oraz napięć w szynach U R i potencjału szyn w stosunku do ziemi (e) 60 7-8/2005

równomierność obciążeń kabli powrotnych i nieprzekraczanie dopuszczalnych spadków napięć w sieci szynowej. Każdy z celów cząstkowych jest możliwy do określenia z dokładnością zależną od przyjętej metodologii obliczenia, każda ze znanych obecnie metod analizy wymaga przyjęcia wstępnej lokalizacji punktów powrotnych i sprawdzenia spełnienia wymagań technicznych. W praktyce dla rzeczywistego układu komunikacyjnego istnieje szereg konfiguracji spełniających wymagane techniczne kryteria oceny. Wybór docelowej konfiguracji powinien uwzględniać ograniczenia techniczne i kryteria nadrzędne, takie jak: ograniczenia terenowe (trasy kabli), wielkości nakładów na budowę powrotnej sieci kablowej, koszt strat energii w sieci powrotnej, ewentualne oszacowane koszty szkód wyrządzonych przez prądy błądzące. Klasyczna metoda obliczeń W klasycznej metodzie obliczeń, opartej na ogólnie znanym opisie obwodów elektrycznych w postaci zależności analitycznych, zakres analiz obwodów powrotnych ograniczano tylko do sieci szynowej. Ograniczenie to miało na celu zminimalizowanie czasu obliczeń prowadzonych ręcznie, z wykorzystaniem prostych narzędzi obliczeniowych. Dokładne odzwierciedlenie konfiguracji i parametrów obwodu powrotnego prowadziło do układów równań o złożonej konfiguracji, a także zmiennych parametrach, które należało wielokrotnie rozwiązywać porównując wyniki każdego z rozwiązań uzyskiwanych w poszczególnych iteracjach z wartościami kryterialnymi. Praktycznie przyjmowano jako zadowalający pierwszy uzyskany wynik pozytywny, z pominięciem pogłębionych analiz oceny jakościowej możliwych rozwiązań. Obliczenia prowadzono na podstawie następujących założeń: przyjęta wstępnie lokalizacja punktów powrotnych, jednakowe potencjały punktów przyłączenia kabli powrotnych do szyn, nieskończenie duża rezystancja r R-G (pominięcie upływności z szyn i przepływu prądu powrotnego przez ziemię), obciążenia sieci szynowej są obciążeniami rozłożonymi równomiernie, jako miarodajne przyjmowano obciążenia średnie roczne (do oceny zagrożeń od prądów błądzących) i maksymalne szczytowe (do zwymiarowania elementów obwodu sieci powrotnej). Decydujący wpływ na dokładność obliczeń miała prawidłowość obliczenia rozpływu prądów. Ze względu na przyjmowane istotne założenia, upraszczające dotyczące równości potencjałów punktów powrotnych przy założonej konfiguracji obwodu i nierównomiernych obciążeniach odcinków oraz zróżnicowanej ich długości i długości kabli powrotnych w obszarze zasilania podstacji, wyniki analiz obarczone były dużymi błędami, a możliwości ich skorygowania w dużej mierze zależały od doświadczenia projektanta. Metoda symulacyjna obliczeń obwodów powrotnych układu zasilania Głównym celem symulacji jest stworzenie możliwości odwzorowania warunków obciążenia wszystkich elementów obwodu układu zasilania trakcji elektrycznej, z uwzględnieniem zmiennej intensywności i organizacji ruchu, przy założeniach: punktami obwodu, wspólnymi dla gałęzi sieci jezdnej górnej i sieci szynowej, są szyna + i szyna podstacji trakcyjnej; uwzględnienia w obliczeniach rezystancji kabli zasilających i powrotnych; sieć szynowa jest (może być) traktowana jako idealnie odizolowana od ziemi i ma określoną skończoną wielkość rezystancji jednostkowej wzdłużnej r R, ale jest także możliwość uwzględnienia rezystancji przejścia szyny ziemia r R-G ; obciążenia sieci szynowej są wyliczone z równań ruchu w oparciu o charakterystyki elektryczne napędów pojazdów, z uwzględnieniem wahań napięcia w sieci trakcyjnej; wraz z rozpływem prądów w sieci powrotnej liczone są spadki napięć oraz straty mocy i energii. Tak opracowany program symulacyjny oparty jest na wykorzystaniu modelu deterministycznego systemu [5, 14, 15, 17, 18, 27, 28], aczkolwiek niektóre jego elementy i podsystemy mogą mieć charakter stochastyczny. Obliczenia mogą być wielowariantowe przy różnych założeniach dotyczących przekrojów i długości kabli oraz lokalizacji punktów powrotnych. Analizy i badania rozpływu prądu w systemie szyny ziemia W symulacyjnej metodzie badania obciążeń układu zasilania przyjmuje się na ogół założenie, że sieć szynowa jest obwodem odizolowanym od ziemi. Z energetycznego punktu widzenia podejście takie jest jak najbardziej słuszne i wpływ tego uproszczenia na dokładność odwzorowania rozpływu prądów roboczych można pominąć. Z kolei w ocenie intensywności rozpływu prądów błądzących, obliczeniach zwarć doziemnych i napięć rażeniowych, uproszczenie to odgrywa istotną rolę i nie należy go stosować. Dla każdego z wymienionych zjawisk należy w miarę dokładnie odwzorować rezystancje wzdłużne (tabl. 3), konduktancje poprzeczne (tabl. 2) i rezystywność gruntu (tabl. 3). Tablica 3 Rezystancje wzdłużne sieci szynowej r R [W/km] 0,0075 0,015 (linia jedno- i dwutorowa) Rezystywność gruntu r [Wm] 20 200 Jednym ze sposobów analizy prądów błądzących w modelach symulacyjnych jest np. przyjęcie ciągłego rozkładu upływności z szyn, jednakowych parametrów ziemi jako przewodnika (rys. 5). I R (x) U R (x) r R x 1/r R G x I R (x) I R (x) + I R (x) U R (x) + U R (x) Rys. 5. Schemat zastępczy elementarnego odcinka sieci szynowej o długości x o stałych parametrach Dla takiego schematu zastępczego uzyskuje się: D U R (x) = r R D x I R (x) (5a) 7-8/2005 61

1 D I R (x) = Dx U R (x) Odbiór n r R G PT Odbiór m + 1 x R Ri R R-Gi R Rj R R-Gj (5b) co dla Dx 0 daje równanie na potencjał względem ziemi odległości od punktu powrotnego w postaci jednorodnego równania różniczkowego drugiego rzędu: d 2 U R (x) r R = U R (x) = 0 (6) dx r R G którego rozwiązaniem są równania prądu i napięcia o postaci (1) i (2). W oparciu o zależności i schemat zastępczy, dla elementarnego odcinka toru można zbudować drabinkowy schemat zastępczy odcinka linii jednotorowej (rys. 6) i dwutorowej (rys. 7). Zmienne wartości rezystancji r R-G (konduktancje G) mogą być reprezentowane w programie symulacyjnym jako tablica wartości w funkcji drogi. Na dokładność ma wpływ długość D x elementarnego fragmentu tworzącego drabinkę rezystancyjną, jednakże dla krótkich odcinków D xi wymagana jest duża liczba węzłów sieci dolnej, co zwiększa liczbę elementów i spowalnia obliczenia. Istotnym problemem utrudniającym opracowanie programu symulacyjnego obejmującego zasięgiem obliczeń układ zasilania dużego systemu komunikacji tramwajowej jest znalezienie kompromisu między dostatecznie małym krokiem obliczeniowym z punktu widzenia dokładności wyników, ograniczeniem liczby kroków obliczeniowych z punktu widzenia szybkości obliczeń oraz samą strukturą modelu systemu określoną liczbą zmiennych i stopniem ich wzajemnego uzależnienia [5, 6]. Schematy z rysunków 6 i 7 są przydatne zarówno do obliczeń prądów upływu z szyn do ziemi, jak i rozpływu prądów przy zwarciach doziemnych (dochodzi domknięcie obwodu zwarciowego przez ziemię, odpowiadające rezystancji doziemienia) oraz do obliczeń napięć rażeniowych. Odbiór n PT Odbiór n + 1 R Ri i R R-Gii Rys. 6. Schemat zastępczy odcinka zasilania sieci tramwajowej, z uwzględnieniem rezystancji przejścia szyny-ziemia dla linii jednotorowej x Odbiór n + 1 Rys. 7. Schemat modelu uwzględniającego rezystancję przejścia szyny ziemia Obliczenia parametrów elektrycznych obszaru każdej podstacji zwykle przeprowadza się dla dwóch wariantów obciążeń, różniących się wartościami źródeł prądowych (obciążeń) jeden odpowiada obciążeniom średniorocznym (do obliczeń zagrożeń od prądów błądzących), drugi obciążeniom szczytowym do zwymiarowania elementów układu zasilania. W Zakładzie Trakcji Elektrycznej Politechniki Warszawskiej opracowano metodologię i oprogramowanie do zastosowania w projektowaniu i obliczeniach sieci zelektryfikowanego transportu miejskiego, ze szczególnym zwróceniem uwagi na problemy prawidłowego projektowania sieci powrotnej, stwarzającej zagrożenie korozji elektrolitycznej [18, 27, 28]. Przy projektowaniu nowych systemów zelektryfikowanego szynowego transportu miejskiego należy dążyć do minimalizacji upływu prądów błądzących poprzez odpowiednie zaprojektowanie konstrukcji torowiska i konfiguracji sieci powrotnej, z uwzględnieniem wymogów bezpieczeństwa. Przedsiębiorstwa eksploatujące trakcję tramwajową i metro powinny mieć na uwadze infrastrukturę techniczną otaczającą linie transportu miejskiego. Istniejące konstrukcje wrażliwe na prądy błądzące powinny być kontrolowane przed i po wprowadzeniu do eksploatacji systemu transportowego, aby określić stopień zakłócającego oddziaływania trakcji elektrycznej i wrażliwość tych konstrukcji na zagrożenia korozyjne od prądów błądzących. Zastosowanie odpowiednich środków przeciwdziałających zagrożeniom korozją elektrolityczną daje efekty nie zawsze wymierne, ale odczuwalne, szczególnie w dłuższym czasie. Doświadczenia wykazują, że w miastach z trakcją tramwajową uszkodzenia infrastruktury podziemnej są znacznie częstsze niż w miastach bez trakcji tramwajowej. Należy podkreślić, że zastosowanie odpowiednich rozwiązań technicznych i prawidłowe zaprojektowanie układu zasilania, z uwzględnieniem otwartości modernizacyjnej systemu, daje Odbiór m + 1 określone korzyści finansowe i ekonomiczne w okresie jego eksploatacji, który dla układów komunikacyjnych wynosi co najmniej 20 30 lat. Konieczne jest także przeanalizowanie dla każdego projektu nowej inwestycji lub modernizacji możliwych do wystąpienia zagrożeń (jak napięcia rażeniowe lub elektrokorozja) oraz efektywności stosowanych środków ochrony. Uszynienia i uziemienia obwodu powrotnego i konstrukcji wsporczych sieci trakcyjnej Najprostszym rozwiązaniem, niewymagającym ponoszenia dodatkowych kosztów oraz nadzoru eksploatacyjnego, jest zastosowanie układu izolowanego, w którym nie występują oprócz naturalnych żadne sztuczne połączenia między szyną minusową podstacji trakcyjnej a ziemią oraz między szynami i konstrukcjami wsporczymi (rys. 8). 62 7-8/2005

Układ taki zapewnia względne bezpieczeństwo w klimacie bardzo suchym i wymaga bardzo pewnej izolacji głównej sieci jezdnej (z jej kontrolą) oraz możliwie niskiego napięcia zasilania. W europejskich warunkach klimatycznych nie jest on uznawany za bezpieczny. Układem zdecydowanie lepszym pod względem bezpieczeństwa jest układ z uszynieniem bezpośrednim konstrukcji wsporczych i urządzeniami zwierającymi (oznaczenie: ZN zwiernik napięciowy) szynę minusową PT w przypadku zwarć doziemnych (rys. 9). Układ ten stwarza jednak możliwość przepływu prądów błądzących i naraża na korozję zbrojenia fundamentów konstrukcji wsporczych oraz inne urządzenia infrastruktury podziemnej. Norma [33] nie zaleca stosowania bezpośrednich połączeń między szynami i uziemionymi częściami konstrukcji w strefie bezpośredniego oddziaływania odbieraka prądu i sieci trakcyjnej. Zalecane jest włączanie w obwody uszynień urządzeń wielokrotnego działania (zwierników napięciowych ZN) [12, 19, 20, 22], stanowiących w normalnych warunkach roboczych (przy niskim napięciu szyny uszynienia konstrukcji) przerwę izolacyjną. W przypadku pojawienia się niebezpiecznego napięcia na uszynionej konstrukcji w stosunku do szyn, zwiernik zamyka obwód skutecznie, uszyniając konstrukcję (zamieniając w ten sposób zwarcie do konstrukcji w zwarcie metaliczne). Podobnie, jak w przypadku poprzednim, szyna minusowa PT jest łączona poprzez zwiernik napięciowy (ZN) z uziemieniem PT. Zatem w normalnych warunkach szyna minusowa jest izolowana od uziomu, a łączona poprzez zwiernik, gdy jej napięcie względem uziomu przekroczy zadaną wartość (w przypadku zwarć doziemnych). Rozwiązanie takie stanowi minimum zapewniające spełnienie wymagań ochrony przed prądami błądzącymi, wyłączania zwarć i zapewnienia ochrony przeciwporażeniowej. Urządzenie zwierające stosowane w podstacji stanowi zwykle bardziej złożoną konstrukcję niż urządzenia instalowane w uszynieniu konstrukcji wsporczych i umożliwia oddziaływanie na wyłącznik mocy zespołu podstacji w przypadku utrzymywania się niewyłączalnego przez wyłącznik szybki zwarcia doziemnego. Wiele zarządów przedsiębiorstw eksploatujących miejską trakcję elektryczną stosuje środki ochrony przed dotykiem pośrednim (dodatkowa ochrona przeciwporażeniowa) i ochrony od prądów błądzących, poprawiając jednocześnie warunki zwarciowe eksploatowanych linii. Rozwiązania te zawierają się w trzech obszarach: 1) poprawa niezawodności systemów izolacyjnych sieci jezdnej (podwójna izolacja); 2) wyrównywanie w stanach awaryjnych potencjału szyn, konstrukcji wsporczych i otaczającej ziemi poprzez stosowanie połączeń ze zwieraną przerwą izolacyjną (zwierniki napięciowe, iskierniki) i ekranów; 3) zmniejszenie wzdłużnych spadków napięć w sieci powrotnej przez prowadzenie równoległych, łączonych z szynami przewodów powrotnych zmniejszających sumaryczną rezystancję sieci powrotnej. Rozwiązania takie, od najprostszego pokazanego schematycznie na rysunkach 11 i 12 stosowane są między innymi w Polsce, do bardziej skomplikowanych: przewodem powrotnym dodatkowym i uszynieniem strefy izolowanej wysięgnika konstrukcji wsporczej oraz uziemieniem właściwej konstrukcji wsporczej (uziemienie niezaznaczone na rys. 13), stosowane między innymi na linii SKM w Seulu; Rys. 8. Schemat układu zasilania bez stosowania uszynień Rys. 9. Schemat układu zasilania z uszynieniem bezpośrednim konstrukcji wsporczych i uziemieniem pośrednim (otwartym) szyny minusowej podstacji trakcyjnej za pomocą specjalnego układu (zwiernik napięciowy ZN) Rys. 10. Schemat układu zasilania z uszynieniem pośrednim (ZN) konstrukcji wsporczej i uziemieniem pośrednim (otwartym) szyny minusowej podstacji trakcyjnej za pomocą specjalnego układu (zwiernik napięciowy ZN) 7-8/2005 63

Rys. 11. Schemat układu zasilania bez uszynienia konstrukcji wsporczych i z uziemieniem pośrednim (otwartym) szyny minusowej podstacji trakcyjnej za pomocą zwiernika napięciowego (ZN) Rys. 14. Schemat układu zasilania z uszynieniem pośrednim (otwartym) konstrukcji wsporczej (ZN) izolowanej od fundamentów (IN-izolacja niskonapięciowa) i jej jednoczesnym uziemieniem oraz uziemieniem pośrednim (otwartym) szyny minusowej podstacji trakcyjnej za pomocą zwiernika napięciowego (ZN) Rys. 12. Zawieszenie elastyczne z podwójną izolacją Rys. 15. System zasilania z zastosowaniem uszynienia pośredniego konstrukcji wsporczych (ZN), uziemienia otwartego szyny podstacji przez zwiernik napięciowy (ZN) oraz specjalnego ekranu do wychwytywania prądów błądzących przyłączonego (przez diodę) do szyny minusowej podstacji Rys. 13. Schemat układu zasilania z dodatkowym przewodem powrotnym PP (przyłączonym do szyny podstacji zwykle przez diodę) i podwójną izolacją strefy wysięgnika konstrukcji wsporczej (z jej uszynieniem bezpośrednim) oraz uziemieniem pośrednim (otwartym) szyny minusowej podstacji trakcyjnej za pomocą zwiernika napięciowego (ZN) uszynieniem przez zwiernik napięciowy izolowanej konstrukcji wsporczej i jednoczesnym jej uziemieniem (system wprowadzany jako nowy przez PKP, rys. 1 i 14); ekranem od prądów błądzących (stosowane np. w Wielkiej Brytanii), przyłączonym specjalnym przewodem poprzez diodę do szyny minusowej PT i uszynieniem przez zwiernik ZN konstrukcji wsporczych (rys. 15). Podsumowanie Właściwe rozwiązania konstrukcyjne i prawidłowa eksploatacja sieci powrotnych są w stanie zapewnić ochronę przeciwporażeniową i wyłączalność zwarć metalicznych i doziemnych oraz wyeliminować zagrożenie od prądów błądzących, zgodnie z wymaganiami norm [32, 33]. Elementami istotnymi pod względem spełnienia tych założeń są: 64 7-8/2005

stosowanie urządzeń uziemiających szynę minusową PT w stanach zwarć doziemnych, przy czym powinny to być urządzenia o działaniu wielokrotnym; stosowanie uszynień otwartych konstrukcji wsporczych (oraz innych w sposób naturalny uziemionych konstrukcji, które mogą znaleźć się w kontakcie z siecią trakcyjną, np. mostów lub wiaduktów), z wykorzystaniem urządzeń zwierających wielokrotnego zadziałania (alternatywnie: stosowanie podwójnej izolacji oraz ciągłej kontroli stanu izolacji sieci trakcyjnej); utrzymywanie ciągłości obwodu powrotnego; dobranie takiego przekroju elektrycznego sieci powrotnej i konfiguracji (rozmieszczenia, przekroje, długości), aby napięcia względem ziemi nie przekraczały wartości dopuszczalnych, a kable powrotne były obciążane równomiernie; stosowanie wyrównawczych połączeń poprzecznych sieci szynowej; izolowanie konstrukcji podziemnych w strefie oddziaływania trakcji elektrycznej od ziemi (powinny mieć wstawki izolacyjne); konstrukcje wsporcze, które są uszyniane bezpośrednio (i ich fundamenty) powinny być izolowane od ziemi; sprzeczność wymagań co do rezystancji przejścia szyny ziemia; ze względu na niebezpieczeństwo porażenia niekorzystne jest, jeżeli rezystancja szyn do ziemi ma wielkości zbyt duże, z kolei ze względu na zagrożenia od prądów błądzących rezystancja ta powinna być jak największa; eliminowanie przy projektowaniu systemu uszynień i uziemień struktur stwarzających możliwość wynoszenia potencjału w stanach zwarcia. q Literatura [1] Afanasjev S.A., Dołaberidze G.P., Szewczenko W.W.: Kontaktnyje i kabielnyje sieti tramwajev i trollejbusov. Moskva, Izd. Transport, 1979. [2] Bahra K.S., Catlow R.B.: Control of stray currents for DC traction systems. Int. IEE Conf. Electric Railways in a United Europe, 27-30 III 1995, Amsterdam. [3] Nene V.: Advanced propulsion systems for urban rail vehicles, 1986. [4] Delattre D., Seiler W.: Electrification of an urban transit system. Revue Generale des Chemins de Fer, 7/8 1983, 102e). [5] Drążek Z.: Symulacyjna metoda analizy systemów zasilania elektrycznej trakcji miejskiej prądu stałego. Rozprawa doktorska, PW 1998. [6] Drążek Z.: Symulacja obciążenia zasilaczy podstacji tramwajowej w rejonach o skomplikowanej konfiguracji sieci. Przegląd Elektrotechniczny 10-11/1991. [7] Drążek Z.: Kompleksowy macierzowy model obciążenia obszaru zasilania komunikacji tramwajowej. SEMTRAK 94. [8] Dytberner W.: Uproszczona metoda obliczeń układu zasilania trakcji tramwajowej. Warszawa 1976. (red. J. Podoski) Postępy Napędu Elektrycznego. [9] Dzikowski J., Kruciński Z.: Zasilanie trakcji elektrycznej. Wyd. PŁ 1953. [10] Dziuba W.: Sieć powrotna i prądy błądzące. Wydawnictwo Instytutu Elektrotechniki, Warszawa 1995. [11] Dziuba W.: Ograniczanie upływu prądów błądzących z trakcyjnych sieci powrotnych w świetle obowiązujących przepisów. Technika Transportu Szynowego 12/1999. [12] Maciołek T., Mierzejewski L., Szeląg A.: Analiza porównawcza zwierników napięciowych w obwodach uszynienia konstrukcji w strefie oddziaływania trakcji elektrycznej. XII Międzynarodowa Konferencja Naukowo- -Techniczna Bezpieczeństwo elektryczne, 15-17 IX 1999, Politechnika Wrocławska, Wrocław. [13] Kniat L.: Model matematyczny tramwajowej sieci powrotnej. Prace IT PW, z. 23/1984. [14] Mierzejewski L., Szeląg A., Drążek Z.: Metoda projektowania układów zasilania trakcji tramwajowej nowelizacja. RPBR 9.2.04.03. Warszawa 1987 1990. [15] Mierzejewski L., Szeląg A., Drążek Z.: Studium układu zasilania trakcji tramwajowej MZK. Warszawa 1985 1987. [16] Mierzejewski L., Szeląg A., Drążek Z.: Warunki wprowadzenia zasilania dwustronnego w trakcji tramwajowej. Warszawa 1989. [17] Mierzejewski l., Szeląg a., Gałuszewski M.: System zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego. Skrypt PW, 1989. [18] Mierzejewski L. (kier.) z zespołem: Niezawodność, dyspozycyjność i oszczędność energii w systemach trakcji elektrycznej dużych aglomeracji miejskich. Projekt badawczy KBN nr 8 S 502 030 05, IME PW 1993-1996. [19] Mierzejewski L., Szeląg A. i in.: Analiza ochrony ziemnozwarciowej i przeciwporażeniowej urządzeń sieci trakcyjnej 3 kv uszynienia konstrukcji wsporczych. Praca IME PW na zlec. DG PKP, Warszawa 1994 1995. [20] Mierzejewski L., Szeląg A., Białoń A.: Określenie efektywności i celowości stosowania połączeń międzytokowych i międzytorowych na liniach jednotorowych i wielotorowych wyposażonych w samoczynną blokadę liniową z obwodami torowymi bezzłączowymi i ze złączami izolowanymi, uszynieniami indywidualnymi i grupowymi. Praca badawcza na rzecz PKP CNTK, Warszawa 1996. [21] Mierzejewski L., Szeląg A.: Układy zasilania zelektryfikowanego transportu miejskiego. Technika Transportu Szynowego 11/1999. [22] Mierzejewski L., Maciołek T., Szeląg A.: Badania laboratoryjne wybranych typów zaworów elektrycznych. Opracowanie dla PKP CNTK, Warszawa 1996. [23] Podoski J.: Tramwaj szybki projektowanie i eksploatacja. WKŁ 1980. [24] Ptaszkowski J., Sapijaszko A.: Różnice potencjałów pomiędzy powrotną siecią szynową a otoczeniem. Trakcja i Wagony 5/1979. [25] Rozenfeld V.E., Isajew I.P., Sidorow N.N.: Elektriczieskaja Tiaga. Moskwa 1962. Izd M.P.S. [26] Szczepanik K.: Zagrożenia korozyjne metalowych konstrukcji podziemnych. Transport Miejski 7/1987. [27] Szeląg A.: Obliczanie tramwajowej sieci powrotnej. Transport Miejski 2-3/1990. [28] Szeląg A.: Obliczanie tramwajowej sieci powrotnej w celu zmniejszenia upływu z szyn jezdnych prądów błądzących. TRAM 96, Konferencja Naukowo-Techniczna Trakcja elektryczna w miastach. Gdańsk, 1996. [29] Szeląg A.: Wymiarowanie granicznych zdolności przesyłu energii w sieci zasilającej i powrotnej trakcji tramwajowej. Konferencja PK SEMTRAK 96, Zakopane, X, 1996. [30] Wdowiak J., Mierzejewski L., Szeląg A.: Projektowanie układów zasilania trakcji elektrycznej. skrypt WPW 1993. [31] PN-92/E-05024. Ochrona przed korozją. Ograniczanie upływu prądów błądzących z trakcyjnych sieci powrotnych prądu stałego (norma nieaktualna). [32] PN-EN 50122-1. Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne. Część 1: Środki ochrony dotyczace bezpieczeństwa elektrycznego i uziemień. Luty 2002. [33] PN-EN 50122-2. Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne. Część 1: Środki ochrony przed oddziaływaniem prądów błądzących wywołanych przez trakcję elektryczną prądu stałego. Luty 2002. [34] EN 50153. Zastosowania kolejowe. Tabor trakcyjny. Środki ochrony przed porażeniem elektrycznym. 7-8/2005 65