Tåg på en järnvägslinje

All-Island Strategic Rail Review (AISRR) har beställts gemensamt av transportdepartementet i Irland och infrastrukturdepartementet i Nordirland. När den är klar kommer den att ligga till grund för utvecklingen av ett nationellt järnvägssystem över hela Irland till 2050.

Genomförandet av denna strategi är i linje med åtagandet om nettonollutsläpp i båda jurisdiktionerna.

Irland har tidigare publicerat sina egna järnvägsnormer, särskilt när det gäller säkerhetsåtgärder.

LPIs Engineering Manager, Hadi Beik Daraei, beskriver de konstruktionsöverväganden som är kopplade till jordning och potentialutjämning för järnvägssystem. Denna tekniska blogg hjälper läsarna att förstå de grundläggande säkerhetskoncepten som är kopplade till risker för elektriska stötar från en expert på jordning och potentialutjämning.

I denna blogg ger Hadi en översikt:

  • Systemets huvudkomponenter
  • Tekniska problem för jordning och potentialutjämning
  • Krav på jordning och potentialutjämning
  • Sammanfattar de viktigaste slutsatserna.

Allmän översikt

Struktur för luftledningar

Traktionssystemets kontaktledning kan strömförsörjas med olika nominella spänningar AC eller DC enligt nedanstående tabell.

Nominella spänningar och deras tillåtna gränser i värden och varaktighet

Tabell 1: Nominella spänningar och deras tillåtna gränser i värden och varaktighet

Extra strömförsörjning

För alla typer av traktionssystem finns det uppsättningar av hjälpkretsar och utrustning som tillhandahåller olika tjänster såsom belysning och HVAC, etc.

Generellt för både DC- och AC-traktionssystem gäller att växelspänningen (AC) används för att försörja hjälpsystemet.

Figur 1 illustrerar den typiska schematiska bilden som visar luftledningsstrukturen tillsammans med hjälpkretsarna. För både likströms- (DC) och växelspänningssystem har växelspänningen använts för att försörja hjälpkretsen.

Typiskt diagram över kraftfördelning för hjälpkraftsystem i AC-järnvägar

Figur 1: Typiskt diagram över kraftfördelning för hjälpsystem i AC-järnvägar

 

Typiskt diagram över kraftdistribution för hjälpsystem i en DC-järnväg

Figur 2: Typiskt diagram över kraftfördelning för hjälpsystem i en DC-järnväg

 

Tekniska problem i samband med jordning och potentialutjämning

AC Traktionssystem

  1. Skydd mot elektriska stötar vid indirekt kontakt
  2. Elektromagnetiska störningar

Traktionssystem för likström

  1. Skydd mot elektriska stötar vid indirekt kontakt
  2. Skydd mot korrosion(kontroll av vagabonderande ström)
  3. Elektromagnetiska störningar under vissa omständigheter

Viktig anmärkning: Om korrosionsbestämmelserna påverkar elsäkerheten, skall skyddsbestämmelserna mot elektriska stötar ha företräde framför bestämmelserna mot effekterna av vagabonderande strömmar.

2. Konstruktionsöverväganden för jordning och potentialutjämning

2.1 Traktionssystem för AC

För hjälpkrets:

Skydd mot indirekt kontakt för utrustning eller installationer som inte är skyddade enligt klass II skall åstadkommas genom automatisk frånkoppling av matningen enligt IEC 60364-4-41. Därför skall exponerade ledande delar anslutas till en skyddsledare.

I detta fall ger jordningskonfigurationen endast ett kompletterande skydd innan den felaktiga kretsen görs spänningslös. Till exempel kommer kretsskyddsledaren (CPC) eller skyddsjordsledaren (PEC) att leda en kortslutningsström genom de lågimpedanta vägarna tillbaka till strömförsörjningen för att hjälpa till att koppla bort kretsbrytaren så att den fungerar under en viss tid (t.ex. 0,1, 0,4, 0,5, 1 sekund, etc.).

Om "huvudskyddsåtgärden" ändras, kommer jordnings- och utjämningspraxis att ändras i enlighet med detta.

Bild 3: Olika typer av jordanslutningar beroende på typ av skydd mot indirekt kontakt.

Bild 3: Olika typer av jordanslutningar beroende på typ av skydd mot indirekt kontakt.

2.1.2 För luftledningsstruktur för växelström

Baserat på de olika spänningsnivåer som används i ett traktionssystem bör följande uppmärksammas:

  • Touch och steg spänningsvärde på grund av felet på luftledningarna
  • Beröringsspänningar på grund av olika metalldelar som kan vara strömförande och som befinner sig i närheten av luftledningsstrukturerna.
  • Ju längre tid människor befinner sig på en viss plats, t.ex. perronger, korridorer etc., desto större är risken att de utsätts för överförd spänning som härrör från jordningselektrodsystemet.

Därför kräver standarden BS EN 50122-1, den standard som används av järnvägs- och spårvagnsindustrin, att följande villkor ska betraktas som en konservativ aspekt vid beräkningen av den tolerabla beröringsspänningen (kontaktspänningen):

  • Stora kontaktytor, torra förhållanden och kroppsimpedanser som inte överskrids av 50 % av befolkningen.
  • Ytterligare motstånd för kortvariga förhållanden (mindre än 0,7 sekunder), och inget ytterligare motstånd för långvariga förhållanden (längre än 0,7 sekunder).
  • Handskar kommer inte att användas.

För att uppnå skydd mot elektriska stötar kan olika typer av föreskrifter övervägas samtidigt med standarden BS EN 50122-1, beroende på situationen och de faror som kan uppstå.

I de följande avsnitten av den tekniska bloggen antas de godkända skyddsåtgärderna för att skydda användare av ett järnvägssystem mot elektriska stötar ha introducerats.

2.2 Traktionssystem för likström

2.2.1 För hjälpkretsar:

Eftersom spänningen för hjälpkretsar och utrustning i allmänhet är ''AC'' är samma bestämmelse som anges i 2.1 tillämplig för detta fall.

2.2.2 För struktur för DC-luftledningar

2.2.2.1 Farhågor för elektriska stötar

  • Risk för elektriska stötar på grund av beröring med DC-högspänning och stegpotentialökning under felförhållanden, avseende fjärrjord.
  • Ju längre människor befinner sig på en viss plats, desto större är risken att de upplever den överförda spänning som härrör från jordningselektrodsystemet.

Därför kräver standarden BS EN 50122-1 att nedanstående förhållanden betraktas som en konservativ aspekt vid beräkningen av den tolerabla beröringsspänningen (kontaktspänningen):

  • Stor kontaktyta, torra förhållanden och kroppsimpedanser som inte överskrids av 50% av befolkningen.
  • Ytterligare motstånd för kortvariga förhållanden (mindre än 0,7 sekunder), och inget ytterligare motstånd för långvariga förhållanden (längre än 0,7 sekunder).
  • Handskar kommer inte att användas.

2.2.2.2 Kontroll av vagabonderande ström

Vagabonderande strömmar som härrör från likströmssystem kan orsaka allvarliga materialskador. Detta kan vara i form av korrosion som vagabonderande korrosion på nedgrävda eller nedsänkta metallstrukturer, särskilt i långa nedgrävda horisontella strukturer, som rörledningar och metallmantlade kablar.

Eftersom korrosionsskador kan uppstå redan efter en kort tids exponering för vagabonderande ström, är det viktigt att vidta skyddsåtgärder i ett tidigt skede och att regelbundet kontrollera effekten av dessa åtgärder. Därför måste korrosionsfrågan bedömas även vid ett kortvarigt fel.

Hur vagabonderande ström skapas

I ett typiskt DC-traktionssystem kommer den spänning som kallas "URE" (spänning i returkretsen) att skapa en vagabonderande ström enligt figur 4. Själva "URE" fastställs genom att likström flödar i returkretsen.

Ritning av det område som utsätts för korrosion

Figur 4: Princip för störningar på grund av DC-drivna järnvägar

Rälsmotstånd och konduktans per längd (G'RE) för returkretsen till jord är två huvudparametrar som påverkar URE och vagabonderande strömmar.

Hur vagabonderande ström orsakar korrosion

När vagabonderande likström lämnar metallkonstruktionen genom marken, som är i kontakt med konstruktionen, uppstår en anodisk interferens. Denna händelse inträffar på grund av en positiv potentialförskjutning på strukturen i marken där likströmmen lämnar strukturen och återgår till sin strömförsörjning. Figur 4 ovan visar det område som utsätts för korrosion.

I tunnlar med metallförstärkta betongkonstruktioner eller andra ledande konstruktioner är det möjligt att vagabonderande strömmar kan flöda in i sådana konstruktioner och därifrån orsaka påverkan på andra ledande konstruktioner utanför tunneln.

Om armeringen inte är sammankopplad i längdriktningen flödar dessutom vagabonderande strömmar ner i jorden via konstruktionens yttre armering. I områden där konduktansen inte är homogen kan koncentrerat läckage av vagabonderande strömmar uppstå och leda till korrosion på den yttre armeringen. Figur 5 illustrerar detta problem.

I detta fall skall effekten av sådan påverkan minskas med hjälp av potentialutjämning i den nedre delen av de enskilda tunnelsektionerna eller andra ledande strukturer för att uppnå spänningskraven enligt de kriterier som anges i standarden (BS EN 50162:2004).

Figur som visar möjliga korrosionspunkter på de förstärkta armeringsjärnen

Figur 5: Demonstration av möjliga korrosionspunkter på de förstärkta armeringsjärnen

Hur värdet av vagabonderande ström kan bestämmas

Det finns två olika metoder för att beräkna mängden vagabonderande ström enligt följande:

Med mätning och manuell beräkning

  • Mätning av rälsmotståndet enligt den metod som förklaras i "Bilaga A" till "Standard BSEN50122-2′".
  • Mätning av konduktans per längd G'RE enligt "Bilaga A", "Standard BSEN50122-2
  • Beräkning av URE med den formel som anges i standard "Annex C", "Standard BSEN50122-2
  • Beräkning av vagabonderande ström 'I' s' ' med hjälp av följande formel:

Formel för att skapa strömmen "i"

Med mätning och beräkning med programvara

  • Mätning av rälsens motstånd enligt den metod som beskrivs i "Bilaga A" till "Standard BSEN50122-2′.
  • Mätning av konduktans per längd G'RE enligt "Bilaga A" "Standard BSEN50122-2
  • Mätning av markens resistivitetsvärde
  • Simulering av returströmskretsen i lämplig programvara, t.ex. CDEGS.
  • Granska resultatet från programvaran.

Vilka är kriterierna för den tillåtna mängden vagabonderande strömmar?

Erfarenheten visar att det inte uppstår några skador på spåren under en period på 25 år om den genomsnittliga vagabonderande strömmen per längdenhet inte överstiger följande värde: I'max = 2,5 mA/m (genomsnittlig vagabonderande ström per längd på en enkelspårig linje).

Vilka är metoderna för att begränsa skadorna?

1. Kontroll Störningarna från störningskällan.

För att minimera vagabonderande ström som orsakas av ett DC-traktionssystem, skall traktionens returström begränsas till den avsedda returkretsen så långt det är möjligt. För detta ändamål vidtas i allmänhet två huvudåtgärder:

  • Isolering av DC-returen från jorden

Anmärkning: Som framhållits skall skyddsbestämmelser mot elektriska stötar ha företräde framför bestämmelser mot effekterna av vagabonderande strömmar. Figur 3 och figur 6 visar ett exempel på installation av den spänningsbegränsande anordningen i likströmsdragsystemet.

Denna anordning upprätthåller isoleringen mellan järnväg och jord vid normal drift, men i händelse av överspänning mellan järnväg och jord kommer de att fungera på ett sätt som håller kontaktspänningen inom en tillåten gräns.

Figur 6: Exempel på tillämpning av spänningsbegränsande anordning.

Figur 6: Exempel på tillämpning av spänningsbegränsande anordning.

 

  • Minska värdet på rälsmotståndet genom att använda en returledare för att leda huvuddelen av returströmmen tillbaka till strömförsörjningen

2. Kontrollera effekterna på den störda strukturen

I allmänhet är den viktigaste metoden för att undvika anodisk interferens att begränsa det område i kontakt med marken där vagabonderande ström kommer att lämna strukturen. I huvudsak uppnås detta genom att skapa andra attraktiva vägar för strömmande vagabonderande strömmar. Detta kan uppnås antingen genom ett bonding-system eller genom att använda en jordelektrod för att minimera de cirkulerande vagabonderande strömmarna till ett begränsat område.

Figurerna 7 och 8 illustrerar två olika bindningsmetoder som används för att minska korrosionseffekten orsakad av vagabonderande ström på den härledda strukturen.

Figur 7: Minskning av störningar med hjälp av en enkelriktad dräneringsledning

Figur 7: Minskning av störningar med hjälp av en enkelriktad dräneringsledning

Figur 8: Minskning av störningar med hjälp av en tvingad dräneringskoppling

Figur 8: Minskning av störningar med hjälp av en forcerad dräneringskoppling

 

3. Elektromagnetiska effekter

Cirkulation av växelström eller ändring av nivån på likström skapar ett elektromagnetiskt fält som kan påverka systemet. Figuren nedan visar det elektromagnetiska fält som kan påverka kretsarna.

Genom att följa de specifika ledningsbestämmelserna undviker man negativa effekter av elektromagnetisk spridning genom de ström- och datakretsar som är anslutna till utrustningen.

För information om kraven för EMC-samordning hänvisas till Irish Railway Standard IRS-203-A.

Figur 9: Demonstration av de elektromagnetiska effekterna

Figur 9: Demonstration av de elektromagnetiska effekterna

 

4. Viktiga slutsatser

  1. På grund av olika spänningsnivåer och de olika möjliga åtkomstpunkterna för serviceanvändare och järnvägspersonal, skall gränssnittet mellan olika typer av jordnings- och utjämningsmetoder tas upp och studeras i ett tidigt skede av konstruktionen.
  2. I DC Traction-systemet är returkretsen (löpande järnväg) isolerad från jorden och bidrar inte till skyddsåtgärder mot indirekt kontakt. Isoleringen mellan returkretsen och jorden är till för att kontrollera vagabonderande ström.
  3. I AC-traktionssystemet är löpskenorna för AC-järnvägar anslutna till strukturjorden som består av mastfundament, slab track-förstärkning och fundament för andra vägstrukturer som tunnlar och viadukter. Rälsen och den ekvipotentiella huvudskenan för hjälpkraftförsörjningssystemet skall vara anslutna.
  4. Skyddsbestämmelserna mot elektriska stötar skall ha företräde framför bestämmelserna mot effekterna av vagabonderande strömmar.
  5. För att uppnå skydd mot direkt och indirekt kontakt kan olika skyddsåtgärder behöva övervägas samtidigt. Följande punkter representerar dessa skyddsåtgärder.
    • Skydd genom friklassning (mot direktkontakt)
    • Skydd mot hinder (mot direktkontakt)
    • Dubbel eller förstärkt isolering (mot direkt och indirekt kontakt)
    • Skydd genom automatisk frånkoppling (mot indirekt kontakt)

Tala med vårt tekniska team

Prata med vårt Technical Design-team idag om jordningsstudier och bondningstekniker för din bransch.