Admin

Проблемы электропитания (замечания партнера по инфраструктуре)

Н.В. ОЖИГАНОВ, ведущий инженер Дорожной электротехнической лаборатории Северо-Кавказской дороги

При модернизации и капитальном ремонте средств ЖАТ внедряются новые устройства электропитания, которые, как считает автор, не вполне отвечают современным требованиям и недостаточно хорошо адаптированы к реальным сетям нетягового электроснабжения. Не все из них претерпели изменения, необходимость которых подтверждена опытом эксплуатации их предыдущих аналогов. В новых проектах можно обнаружить прямые отступления от действующих норм ГОСТ Р 51321.1-2007 «Устройства комплектные низковольтные распределения и управления» (далее ГОСТ), Правил устройства электроустановок (ПУЭ), а также сохранение неудачных конструкций, создающих реальную угрозу для обслуживающего персонала. Кроме того, нет комплексного решения ключевых вопросов снижения пожароопасности системы электропитания электроустановок ЖАТ.

На постах ЭЦ применяются новые совмещённые питающие установки (СПУ) для автоблокировки с централизованным размещением аппаратуры на базе устройств бесперебойного питания. В состав такой установки входят вводное устройство (ЩВПУ), распределительный (РЩ АБТЦ) и трансформаторный (ТЩ АБТЦ) щиты, а также устройство бесперебойного питания (УБП) в комплекте с необслуживаемыми аккумуляторными батареями. Питание подается от двух трёхфазных источников напряжением 380/220 В и автоматического дизель-генератора (ДГА).

Ключевыми недостатками устройств электроснабжения ЖАТ является недооценка мощности короткого замыкания (КЗ) в сетях 0,4 кВ и проектирование трёхфазных силовых устройств по принципам слаботочных цепей. Например, при коротком замыкании на шинах 0,4 кВ трансформатора мощностью 100 кВ А ток однофазного КЗ достигает 880 А, трёхфазного - 3300 А, а мощность цепи аварийного режима - 2200 кВ'А. За счет сопротивления питающего кабеля эти параметры несколько уменьшаются, но, тем не менее, в месте возникновения электрической дуги выделяется огромная энергия с образованием плазмы. При таких параметрах аварийного режима в электрической цепи необходимы многоступенчатая токовая защита для локализации повреждения и меры по ограничению термического действия дуги непосредственно во вводном устройстве.

Во вводных устройствах 0,4 кВ общепромышленного назначения шкафы секционируются на отсеки с коммутационными аппаратами, токовыми защитами и разрядниками. Они отделяются перегородками от оборудования управления и выполняется термическая защита проводников. Предусматриваются каналы отвода огня из отсеков с наиболее опасными элементами.

Следует отметить, что все старые и новые устройства ЖАТ, связанные с распределением электроэнергии, выполнены по одной схеме компоновки по образцам слаботочных цепей. К ее недостаткам относятся:
практически хаотичное расположение приборов в пределах общего отсека;

расположение клемм вводов питающих кабелей внизу шкафа, панели или стойки;

отсутствие отсеков, изолирующих коммутационные аппараты с токовыми защитами от разрядников, способных при срабатывании создать опасность для обслуживающего персонала и повредить окружающие предметы;

расположение силовых проводников близко к цепям управления, лишённым огнестойкого покрытия;

отсутствие внутренних перегородок, препятствующих распространению огня.

Кроме того, в отступление от п. 3.1.15 ПУЭ во всех проектах электропитания постов ЭЦ и модулей первая ступень токовой защиты вынесена далеко вперёд по ходу энергии от кабельного ввода дальше в щитовую. Это очень серьёзно снижает чувствительность и селективность токовых защит фидеров питания ЖАТ.

Судя по всему при модернизации электропитания ЖАТ нецелесообразно сохранять ЩВП и ЩВПУ, малопригодные для работы в силовых трёхфазных сетях 0,4 кВ. Как показывает практика, их применение не способствует снижению количества возгораний на постах ЭЦ. Тем не менее первоначальная конструкция ЩВП так и осталась тем эталоном, в соответствии с которым по-прежнему разрабатываются все устройства электропитания СЦБ и связи. ЩВПУ не намного удачнее своего предшественника - в объёме одного силового шкафа с несколькими силовыми фидерами появились блоки их управления, практически незащищены проводники вторичной коммутации.

К сожалению, в ЩВП отсутствуют разделительные перегородки между гальванически не связанными фидерами электропитания, защитные кожухи или отдельные отсеки для разрядников и первой ступени токовых защит на фактически установленных автоматических выключателях (см. ГОСТ). Требованиями, касающимися доступа для технического обслуживания низковольтных комплектных устройств (НКУ), предусмотрено использование защищенных ограждениями подсекций и отсеков для каждого функционального блока (п.7.4.6.2 ГОСТа).

Согласно расчётам специалистов Дорожной электротехнической лаборатории Северо-Кавказской дороги на 10-15 % фидерах электропитания постов ЭЦ ток однофазного КЗ достигает 1000 А и более. Причём это наиболее крупные и ответственные станции. При возникновении электродуги практически моментально развивается трёхфазное КЗ, сверхток возрастает более чем в три раза, а мощность аварийного режима увеличивается на порядок. Короткое замыкание на ЩВП (ЩВПУ) может возникнуть при разрушении разрядника вследствие перенапряжения, нагревания контакта на автоматическом выключателе (рубильнике) или болтового соединения в силовой цепи с выгоранием их изоляции. Его причиной могут стать также ошибочные действия персонала. При образовании электрической дуги в замкнутом пространстве шкафа создаются все условия для развития аварии на соседних фидерах. Продукты дуги в состоянии плазмы разлетаются по всему объему, образуя очаги возгорания. Пламя поднимается вверх, где в ЩВПУ располагается аппаратура управления.

Техническое обслуживание вводного устройства сопряжено с большой опасностью, поскольку в пределах одного шкафа имеются несколько ничем не ограждённых вводов от различных источников. Падение деталей или инструмента на неотключён-ные клеммы силовых кабелей, расположенные внизу шкафа, способно привести к короткому замыканию возле ног работника. Даже при отключении автоматического выключателя внизу ЩВПУ остаются под напряжением незакрытые кожухами разрядники. Их срабатывание и разрушение от перенапряжений возможно в любое время, в том числе и во время регламентных работ.

Между тем при обновлении устройств железнодорожной автоматики и телемеханики ЩВПУ фактически входит в типовую конструкцию модуля в составе новой СПУ. За последние несколько лет такие щиты установлены в новых модулях на участке Тимашевская - Разъезд 9 км и постах ЭЦ станций Хоста и Мацеста при строительстве АБТЦ-ЕМ. Они также сохранены на постах ЭЦ станций Пролетарская и Ельмут при внедрении АБТЦ-М.

На рис. 1 показано, насколько близко расположены разрядники и проводники различных источников питания в типовом ЩВПУ на станции Хоста. В результате все многолетние мероприятия по пространственному разделению и термической защите силовых и сигнальных кабелей в траншеях и помещениях оказываются неэффективными, поскольку их открытые контакты внутри этого вводного устройства всё равно располагаются рядом.

Стоит ли применять ЩВПУ при модернизации системы электропитания? Экономия средств при сохранении традиционных устройств электропитания несопоставима с потерями при выходе из строя дорогостоящих микропроцессорных устройств.

На некоторых станциях участка Котельниково - Тихорецкая взамен ЩВПУ установили новые вводные устройства фидера (ВУФ). К сожалению, по-прежнему в их конструкции не учитывается требование п. 3.4 «Методических указаний по проектированию устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте» (И-247-97) о пространственном разделении приборов защиты от перенапряжений и защищаемой аппаратуры с помощью кожухов из негорючих материалов.

Вызывает сожаление отсутствие в ВУФ наружных рукояток управления фидерами, хотя об этом и не сказано в ПУЭ. Тут следует учесть факт расположения устройства в помещениях, недоступных посторонним лицам, что исключает несанкционированное вмешательство. Имеющимися коммутационными аппаратами внутри шкафа можно обрывать цепь в нормальном режиме во время планового ремонта.

Практика эксплуатации электроустановок показывает, что в случае попадания работника под напряжение наличие наружных рукояток управления оказывается важнейшим условием для быстрого отключения цепи. При задымлении или пожаре в помещении, а особенно при появлении огня внутри шкафа оперативное ручное отключение возможно только наружной рукояткой управления, расположенной в доступном месте.


Между тем на дверце ЩВПУ и ВУФ нет даже прорезей для безопасного доступа к рукояткам автоматических выключателей.

Следует иметь в виду, что кнопка аварийного отключения выведена на пульт дежурного по станции и время, потраченное на переговоры и принятие решения на отключение, может оказаться роковым.

При дистанционном отключении фидера на ЩВПУ или ВУФ под напряжением всё равно остаётся ввод питающего кабеля в здание или модуль. Целесообразно дать дежурным по станции право дистанционного отключения автоматического выключателя на КТП. В таком случае обеспечивается действительно полное снятие напряжения с устройств ЖАТ. Следует помнить, что пожарная команда не приступит к тушению до тех пор, пока не убедится в полном отключении питающих сетей от аварийного объекта.

Многие из недостатков аппаратуры электропитания обусловлены использованием типовой 19-дюймовой несущей стойки, предназначенной для слабо-точных устройств аппаратуры ЖАТ. Это приводит к тому, что в главных цепях применяются не обычные для трёхфазной энергетики шинные токопроводы, а изобилие лишних контактов и проводников силовых цепей и цепей управления. На рис. 2 приведён вид такого конструктива на станции Пролетарская Северо-Кавказской дороги - проводники цепей 0,4 кВ проложены совместно с проводниками вторичной коммутации.

Есть претензии и к компоновке распределительного щита новой СПУ. Она не исключает распространение огня вверх на остальной массив аппаратуры от потенциально пожароопасных приборов токовой защиты, расположенных внизу. Сохранён подвод питающих кабелей к клеммам внизу шкафов. Необходимо учесть, что коммутационные аппараты изготавливаются таким образом, чтобы питающие проводники подводились сверху. В таком случае при отключении питания под напряжением остаются верхние неподвижные контакты автоматов и рубильников. Для этого вводы питающих кабелей и их клеммы располагаются вверху шкафов общепромышленного назначения. Несоблюдение этих норм на силовых щитах ЖАТ предопределяет необходимость прокладки излишних пересекающихся проводников.

Из-за следования устоявшейся традиции проектирования электропитающие устройства ЖАТ серьезно проигрывают в сравнении с более компактными, удобными и безопасными вводно-ком-мутационно- распределительными устройствами общепромышленных электроустановок. Например, низковольтная комплектная установка НКУ «Нева», выполненная по ГОСТу, разделена на отсеки, предусмотрено сегментирование электрических цепей, а в конструкции имеются отдельные каналы для отвода продуктов электрической дуги от потенциально опасных элементов.

Существующая конструкция вводной панели или распределительного щита СПУ не отвечает также и задаче повышения огнестойкости. В ней не предусмотрены горизонтальные перегородки, препятствующие распространению огня вниз в кабельные каналы и вверх. Такая компоновка пригодна лишь для слабо-точных устройств.

Однако самыми негативными, по мнению автора, факторами являются выбор уставок токовых защит постов ЭЦ по устаревшей методике и отсутствие в новой СПУ первой ступени токовой защиты непосредственно на вводе кабелей питания в модуль или служебно-техническое здание (п. 3.1.15, ПУЭ-7).

Согласно нормам ПУЭ-7, действующим с 2003 г., в системе TN время автоматического отключения питания не должно превышать 5 с (п. 1.7.79, ПУЭ-7). Практически для обеспечения этого требования ток однофазного КЗ должен быть в четыре-восемь раз больше номинального тока плавкой вставки предохранителя типа ПН-2. На Северо-Кавказской дороге такая кратность тока обеспечивается далеко не на всех фидерах питания постов ЭЦ, защищённых предохранителями. Сопротивление в цепи аварийного тока обычно снижается длинными низковольтными кабельными линиями или понижающими трансформаторами малой мощности.

Методика выбора уставок защиты в схемах электроснабжения постов ЭЦ, утверждённая Департаментами электрификации и электроснабжения, автоматики и телемеханики в 2000 г., составлена на основании ПУЭ-6. Номинальный ток защит на первой ступени устанавливается в три раза больше расчетного тока однофазного КЗ на фидере. Вторая, резервная ступень выбирается по условию селективности на комплектной трансформаторной подстанции (КТП) и должна быть на одну или две ступени выше, чем на вводной панели постов ЭЦ. Время отключения с помощью этой защиты, выполненной на предохранителях или автоматах с тепловым элементом, может составлять несколько десятков секунд. Для автоматов с электромагнитными расцепителями ток однофазного КЗ часто оказывается меньше уставки срабатывания.

Положение осложняет тот факт, что нередко для токовой защиты фидеров питания ЖАТ устанавливаются автоматические выключатели с электромагнитными расцепителями типа «D». Мгновенные расцепители такого типа срабатывают в случае превышения величины номинального тока в 10-20 раз. В промышленности они применяются для защиты оборудования с большими пусковыми токами электродвигателей.

В устройствах ЖАТ большие токи при включении создаются различными устройствами с электромагнитными накопителями энергии - разделительными трансформаторами ТС, преобразователями частоты, зарядными устройствами. Амплитуда тока при включении таких устройств или переходных процессах в некоторых случаях сопоставима с током однофазного КЗ. Это является причиной ложных отключений некоторых цепей в устройствах ЖАТ при больших колебаниях питающего напряжения.


Недостатком новых проектов является и то, что по-прежнему участок сети от ВУФ до распределительного щита остаётся в зоне действия второй, резервной токовой защиты на КТП, находящейся в «полевых» условиях на открытом воздухе в металлическом шкафу без обогрева.

Схема фидера питания поста ЭЦ приведена на рис. 3. Вопреки ПУЭ автоматический выключатель SU2 не является первой ступенью токовой защиты, поскольку он не выбирается по уставке срабатывания, а предназначен дпя ручного отключения.

Кабель WK1 и всё оборудование до ПВ или РЩ защищается автоматом SU1 на КТП.

Следует обратить внимание на то, что до автоматов первой ступени токовой защиты фидера SU3 по конструкции вводной панели или распределительного щита проходят проводники кабеля РИС. 3 WK2 от ЩВПУ или ВУФ.

На рис. 4 видно, что эти лишённые огнестойкого покрытия проводники проложены практически совместно с проводниками цепей управления. Они располагаются в самом конце зоны резервной токовой защиты фидера после множества контактов и переходных проводников на ЩВП (ЩВПУ). Это наиболее уязвимое и слобозащищённое место сети. Здесь мероприятия по разделению кабелей электропитания и СЦБ девальвируются окончательно.

Автоматические выключатели на вводных панелях и на новом РЩ предназначены лишь для защиты очень короткого участка сети между ним и трансформаторным щитом. При внедрении СПУ разрядники и другие наиболее повреждаемые и пожароопасные устройства защиты от перенапряжений на ЩВП (ЩВПУ) и ВУФ по-прежнему оказываются только в зоне резервной защиты.

Устройства ЖАТ на границе ответственности хозяйств электрификации и электроснабжения и автоматики и телемеханики имеют разную периодичность обслуживания. Согласно распоряжению № 2761 р от 29.12.2010 г. текущий ремонт распределительных устройств КТП проводится раз в шесть лет, межремонтные испытания - по мере необходимости, а плановая регулярная проверка автоматических выключателей по току срабатывания вообще не предусмотрена. Таким образом, посты ЭЦ становятся «запожниками» КТП.


Даже при точном выполнении всех требований проекта система электропитания объектов ЖАТ с СПУ и сейчас получается опасной и ненадёжной. Ключевые элементы защиты и оперативного управления фидерами оказываются в распоряжении неэлектротехнического персонала (дежурных по станции) или располагаются на КТП вне контроля специалистов хозяйства автоматики и телемеханики. Дальнейшая модернизация электропитания ЖАТ с сохранением существующих или применением предлагаемых устройств электропитания на десятки лет вперёд отложит решение проблемы надежности и безопасности сетей 0,4 кВ постов ЭЦ.

Необходимо разработать принципиально новые устройства, адаптирующие столетний опыт развития трёхфазной энергетики. Несовершенство устройств электропитания ЖАТ приводит к тому, что в служебнотехнических зданиях все остальные структуры (связисты, дистанции электроснабжения и гражданских сооружений) стремятся создать свои изолированные электросети, без какой-либо связи с любыми, даже с заземляющими проводниками устройств СЦБ. И это с учетом того, что на сайте Департамента электрификации и электроснабжения с мая 2011 г. пропагандируются опыт Свердловской дороги по обеспечению пожарной безопасности на постах ЭЦ и мероприятия, учитывающие уроки пожара на объединенном посту ЭЦ нечетной горловины станции Свердловск-Сортировочный. Они сводятся к разделению питающих фидеров 0,4 кВ на технологические и бытовые при вводе в здание и созданию единой системы заземляющих проводников.


Однако по приведённым на сайте фотодокументам (рис. 5) видно, что коммутационные аппараты фидеров основного и резервного питания потребителей необслуживаемого усилительного пункта (НУП), горочной автоматической центрапизации (ГАЦ) и дистанции гражданских сооружений (НГЧ) оказываются в одном шкафу. Взаиморезервируемые силовые кабели расположены рядом без защитного покрытия и на близком расстоянии. Рукоятки ручного отключения силовых ящиков малодоступны и находятся рядом с муфтами силовых кабелей. Шина PEN вопреки требованиям п. 1.7.119 ПУЭ выполнена из алюминия. Остался открытым вопрос и о расположении на этих щитах первой ступени токовых защит всех вводов фидеров в служебнотехническое здание.

Этот пример говорит о сложности выполнения даже суррогатных мероприятий по совершенствованию сетей 0,4 кВ в условиях отсутствия полноценных вводно-коммутационных распределительных устройств постов ЭЦ.

На границе эксплуатационной ответственности хозяйств электрификации и электроснабжения, автоматики и телемеханики, связи накопилось много проблем, требующих взаимоприемлемого решения. Чтобы решить часть из них, можно модернизировать существующие устройства токовых защит фидеров питания постов ЭЦ без значительных капитальных вложений.

В первую очередь, с целью приведения в соответствие с новыми ПУЭ первой ступени токовых защит следует на имеющихся ЩВП (ЩВПУ) и ВУФ заменить автоматические выключатели на автоматы с меньшим током срабатывания, выбранные как первая ступень защиты по условию селективности с КТП. Они должны гарантированно отключать трёхфазное короткое замыкание.

Введение в действие с 2003 г. ПУЭ-7 требует пересмотра методики выбора уставок токовых защит постов ЭЦ. Применение архаичной аппаратуры на первой и второй ступенях токовых защит, не обеспечивающей регламентированное время срабатывания, не согласуется с задачами модернизации электропитания постов ЭЦ.


Следует учитывать, что вследствие применения длинных кабельных линий малого сечения и на первой, и на второй ступенях токовых защит ток однофазного КЗ на многих постах ЭЦ значительно ниже уставки срабатывания токовой отсечки автоматических выключателей, выполненной на электромагнитных расцепителях. Работоспособными остаются достаточно инерционные тепловые обратнозависимые от тока расцепители автоматов.

В ЩВП-73 не следует и далее откладывать разнесение нулевых жил кабелей на отдельные болтовые соединения. Присоединение на одно болтовое соединение нулевых и заземляющих проводников (рис. 6) согласно ПУЭ вообще категорически не допускается. При ослаблении контакта нарушается режим нейтрали сети и теряется связь с заземлением. Согласно п. 7.4.3.1.7 ГОСТа конструктивные части низковольтных комплектных устройств нельзя использовать как РЕН проводники. Иными словами нельзя присоединять нулевые жилы кабелей к разным частям корпуса шкафа. ЩВП-73 совсем не сложно оснастить шиной PEN.

Проблемы стоковой защитой и системой заземления-зануления есть и со стороны энергетиков. Граница эксплуатационной ответственности между цехами дистанций электроснабжения проходит по оборудованию КТП. Силовой трансформатор и низковольтный шкаф могут обслуживаться как районами контактной сети, так и районами электрических сетей, многие регламентные работы проводятся ремонтно-ревизионным участком. При этом не исключены проблемы со специализацией и квалификацией специалистов. На объектах ЖАТ целесообразно внедрять устройства электропитания, которые можно целиком выделить для передачи на аутсорсинг специализированным структурам.


Необходимо комплексное решение по обновлению и приведению к требованиям современных нормативов всей низковольтной сети питания объектов ЖАТ, включая оборудование КТП. Надо расширить и усовершенствовать технологические карты на совместные регламентные работы на фидерах 0,4 кВ. Систему межведомственных взаимопроверок нельзя замыкать на устройствах хозяйства автоматики и телемеханики. Модернизировать устройства ЖАТ целесообразно совместно с оборудованием КТП, включая высоковольтную линию до тяговой подстанции.

Назрела необходимость приложения усилий с целью создания подлинно партнёрских отношений между смежными структурами и эффективного механизма взаимоконтроля. Появление заведомо несовершенных устройств из-за отсутствия взаимодействия партнёров по инфраструктуре и опытных специалистов по трёхфазным сетям во время разработки новых питающих устройств оборачивается потенциально опасными проблемами и бесплодными разбирательствами между эсцебистами и энергетиками на десятки лет вперёд. Создав инфраструктуру, следует пересмотреть систему партнёрского сотрудничества.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin