[09-2024] Прокладка магистральных кабелей СЦБ при электротяге переменного тока

[Admin]

Прокладка магистральных кабелей СЦБ при электротяге переменного тока

КИРИЛЛОВ Александр Николаевич,
Институт «Гипротранссигналсвязь» -филиал АО «Росжелдорпроект», главный специалист, Санкт-Петербург, Россия
Ключевые слова: коэффициент защитного действия кабеля, КЗД, коэффициент экранирующего действия, наведенное напряжение, обратный тяговый ток, защитный трос, заземление, металлопокровы, металлические оболочки кабеля, муфты
Аннотация: При прокладке кабельных линий на участках, оборудованных электротягой переменного тока, возникает необходимость защиты жил кабеля от наведенного напряжения, разделки металлопокровов и исключения возможности протекания обратного тягового тока по металлическим оболочкам кабеля.
■ При электротяге переменного тока возникает наведенное напряжение от контактного провода на жилы кабеля. Оно может привести к поражению электрическим током обслуживающего персонала, возникновению термических разрушений вследствие нагрева из-за длительного протекания наведенного тока. Схема наведенного напряжения представлена на рис. 1. Здесь приняты следующие обозначения: К - магистральный кабель СЦБ; ЭП - экранирующий проводник; КП - контактный провод; Р - Рельсовая колея; НТ - Несущий трос; ДПР - система два провода - рельс; ВЛ ПЭ - воздушная линия продольного электроснабжения.
Нормируемое значение наведенного напряжения на жилах кабеля согласно Свода Правил СП 235.1326000.2015 п.5.11.7.1 не должно превышать 250 В. Для уменьшения наведенного напряжения используется кабель с экранирующими металлопо-кровами (алюминиевыми оболочками и металлической броней) с высоким коэффициентом защитного действия КЗД.

КЗД - это количественное значение защитного действия металлических оболочек кабеля, равное отношению электрической величины, индуцированной в жиле кабеля с металлической оболочкой, к этой же величине, индуцированной в жиле такого же кабеля, но без металлической оболочки. Оно показывает, какая часть возможного наведенного напряжения будет индуцирована в жиле кабеля. Чем меньше значение КЗД, тем меньше влияние внешнего электромагнитного поля на жилы кабеля. Например, КЗД 0,1 показывает, что наведенное напряжение в жилах кабеля с металлопокровами будет в 10 раз меньше напряжения, наведенного в жилах кабеля без металлопокровов.

КЗД идеальный - коэффициент, указанный в ТУ на кабель при нулевом значении сопротивления заземления металлической оболочки кабеля.
КЗД реальный - коэффициент защитного действия металлической оболочки, заземление которого отличается от нулевого при прокладке кабеля в земле.
Согласно требованиям СП 235.1326000.2015 п.7.6.3, СП 234.1326000.2015 п. 12.3.2 на участках с электротягой переменного тока предусматривается применение защищенных от внешних электромагнитных влияний медножильных кабелей в алюминиевой оболочке, бронированных, имеющих КЗД оболочки 0,1.
Расчет необходимого КЗД кабеля производится по неутвержденным вспомогательным материалам для проектирования 650219 «Расчет влияния тяговой сети», разработанным ГТСС для внутреннего пользования на основании рекомендаций, изложенных в методических указаниях 60-70-х гг. выпуска [2, 3, 4]. До ввода в действие Сводов Правил по результатам расчета выбирался кабель с идеальным КЗД со значением меньше (лучше) расчетного. Идеальные значения КЗД кабеля-0,7; 0,3; 0,1, но на данный момент регламентируется применение кабеля с КЗД 0,1. Это не всегда целесообразно из-за более высокой стоимости, сложности прокладки и разделки кабеля. На рис. 2 представлен кабель с броней из стали с высокой магнитной проницаемостью, оболочкой из алюминиевой проволоки и экраном из алюмополи-мерной ленты с КЗД 0,1.

Значения идеального КЗД уменьшаются (улучшаются) в следующих случаях:

• при увеличении проводимости оболочки путем применения металла с меньшим удельным сопротивлением (оболочка из цветного металла, увеличение толщины оболочки);
• при увеличении индуктивности оболочки путем применения металла с большей магнитной проницаемостью (оболочка из стали с высокой магнитной проницаемостью).

При прокладке кабеля следует учитывать внешние факторы, влияющие на значения реального КЗД. Во-первых, чем длиннее кабельная линия (при условии, что обеспечивается непрерывность металлопо-кровов), тем реальный КЗД (S) ближе к идеальному (Эйд). График зависимости КЗД от длины кабельной линии приведен на рис. 3.

Во-вторых, с уменьшением сопротивления оконечных заземлителей металлических оболочек кабеля значение реального КЗД стремится к идеальному. Максимальный эффект достигается при сопротивлении 4 Ом. Сопротивление промежуточных заземлителей не оказывает существенного влияния на значение реального КЗД и создает возможность затекания тягового тока и его дальнейшее растекание по металлопокровам кабеля в сторону поста ЭЦ. График зависимости КЗД (S) от сопротивления оконечных заземлителей (Из) и длины кабельной линии (I) показан на рис. 4.

Более подробно влияние внешних факторов на КЗД кабеля приведено в статье [6].
На величину наведенного напряжения (Цз) на жиле кабеля оказывает влияние экранирующее действие рельсов (гр). При расстоянии (а) более 10 м экранирующее действие практически не наблюдается. График величины наведенного напряжения в зависимости от расстояния до рельса приведен на рис. 5.
В случае невозможности обеспечить нормируемое значение наведенного напряжения на жилах кабеля при применении кабеля с идеальным КЗД 0,1 предлагается дополнительно над кабелем на глубине 0,4 м прокладывать защитный трос. Он обладает коэффициентом экранирующего действия КЭД, показывающим какая часть возможного наведенного напряжения будет воздействовать на защищаемый кабель. Экранирующее действие оказывает ток, протекающий в тросе. Чем больше величина тока, тем лучше экранирование.
Методы увеличения величины тока, протекающего в тросе:

• заземление троса (уменьшение сопротивления оконечных заземлителей, а при изолированном тросе - периодическое заземление троса на всем протяжении);
• увеличение сечения троса;
• увеличение количества тросов.

График зависимости КЭД (Зид) троса от диаметра (d2) и количества (п) тросов представлен на рис. 6.
Зависимость КЭД от сечения и материала троса приведена в таблице.
Методы и технология монтажа кабелей, применяемые материалы, учет требований конструкции самого кабеля оказывают значительное влияние на результирующий реальный КЗД. Для приведения значений реального КЗД кабеля к идеальному необходимо обеспечить электрическую непрерывность металлопокровов кабеля на всем протяжении.

Для этого необходимо в разветвительных и соединительных кабельных муфтах выполнить соединение строительных длин кабеля типа «броня-броня», «оболочка-оболочка», «экран-экран». Схема такого соединения типа «броня-броня» и «оболочка-оболочка» приведена на рис. 7.
Проблема разделки и соединения металлопокровов кабеля заключается в том, что существующие наземные разветвительные муфты, выпускаемые ОАО «ЭЛТЕЗА», не предназначены для разделки и соединения металлопокровов кабеля, а подземные соединительные муфты, выпускаемые АО «Связьстройдеталь», предназначены для соединения только двух металлопокровов кабеля. Предлагаемые строительными и эксплуатирующими организациями варианты соединения металлопокровов кабеля вне муфты под землей инструкционно не описаны, не позволяют осуществлять визуальный контроль соединений, места соединений подвержены коррозии. На рис. 8 представлен вариант восстановления проводимости и экранирующих свойств оболочки. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - наружный полиэтиленовый шланг ШГ; 2 - трубка ТУТ продольной герметизации; 3 - алюминиевая оболочка; 4 - червячные хомуты из нержавеющей стали (4 шт.); 5 - алюминиевые полосы (4 шт.). Предлагаемые варианты соединения металло-покровов приведены на рис. 9, 10.
Непрерывность металлопокровов кабеля на всем протяжении трассы приводит к уменьшению (улучшению) значений КЗД кабеля, но при этом формируется возможный путь протекания обратного тягового тока по металлопокровам кабеля от станции к станции.

Для исключения протекания обратного тягового тока по металлопокровам кабеля согласно Методическим указаниям по применению устройств защиты от перенапряжения в устройствах ЖАТ №ЦДИ-1225 от 30.03.2021 п.4.2.5, предлагается через каждые 6 км осуществлять разрыв и заземление металлических оболочек кабеля на индивидуальные заземлители (линейно-заземляющие устройства) с организацией кабельной вставки длиной не менее 5 м кабелем без металлопокровов. Схема выполнения заземления представлена на рис. 11. При этом следует учитывать, что данный вариант не представлен во вспомогательных материалах для проектирования 650219 «Расчет влияния тяговой сети» [1] и может привести к увеличению (ухудшению) реального КЗД кабеля.
Применение дополнительных экранирующих тросов также сопряжено с рядом ограничений. Металлические тросы могут формировать путь протекания обратного тягового тока от станции к станции. Для исключения протекания обратного тягового тока оконечные заземлители следует выносить из зоны протекания обратного тягового тока. Необходимо учитывать, что неизолированные тросы подвержены коррозии, а изолированные требуют организации промежуточных заземлителей. Кроме того, отсутствует возможность визуального контроля целостности троса и мест соединений. На данный момент отсутствуют инструкции по разделке и соединению строительных длин, не описаны методы контроля и измерений протекающих токов и наведенного напряжения.
В заключение отмечу, что на сегодняшний день отсутствует комплексный подход к построению кабельной сети в условиях сложной электромагнитной обстановки, в особенности на участках электротяги переменного тока.
С учетом применения новых типов кабеля, геотекстиля, движения тяжеловесных поездов, укладки кабеля вне тела земляного полотна предлагается организовать проведение научно-исследовательских работ с привлечением специализированных институтов в составе НИОКР, а также определить объекты для проведения опытных измерений, выполнить расчет и сравнить результаты измерений и математических расчетов, приведенных во вспомогательных материалах 650219 «Расчет влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока на линии СЦБ». Кроме того, необходимо разработать и внедрить средства диагностики и мониторинга (СТДМ) состояния кабеля на вводах постов ЭЦ (измерение параметров наведенного напряжения, токов, температуры нагрева), разработать новые типы кабельных муфт, инструкций по монтажу кабелей, учитывающих возможность разделки металлических оболочек с возможностью визуального контроля.

СПИСОК источников

1. Расчёт влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока на линии СЦБ. Вспомогательные материалы : 650219 / Гипротранссигналсвязь, Попова Д.А., СПб, 2003. 86 с.
2. Михайлов М.И., Разумов Л.Д., Соколов С.А. Защита сооружений связи от опасных и мешающих влияний. М.: Связь, 1978. 288 С.
3. Устройства автоматики, телемеханики и связи при электрической тяге переменного тока: сборник статей. М.: Трансжелдориздат, 1963.146 с. (Труды ВНИИЖТ; Вып. 265).
4. Временные правила защиты устройств СЦБ от влияния контактной сети электрифицированной железной дороги переменного тока / Главтранспроект СССР; Гипротранс-сигналсвязь. Л., 1963. 66 с. (Методические указания по проектированию устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте; Вып. 37).
5. Методические указания по применению устройств защиты от перенапряжения в устройствах ЖАТ : утв. 30.03.2021 Ns ЦДИ-1225. Екатеринбург: УралЮрИздат, 2021. 144 с.
6. Попов Д.А. Проблема защиты медножильных магистральных кабельных линий // Автоматика, связь, информатика. 2022. Ns 6. С. 38-41.