A kezdetben emberi és állati erővel végzett kötöttpályás szállítási módtól napjaink nagysebességű közlekedést biztosító vasúti rendszereiig hosszú és „rögös” út vezetett.
Ezen az úton az előrehaladást jellemzőenmindig a vontatójárművek és ebből eredően a vontatási mód fejlődése jelentette. A vontatójárművek, illetve a vontatási mód változása ugyanakkor új követelményeket fogalmazott meg a vasúti pálya, a sínhálózat kialakításával szemben, és így alapvetően kihatott annak és az azzal kapcsolatba kerülő berendezések és rendszerek üzemére is.
1 A hőskor
A vasút hőskorában, amikor még gyakorlatilag nem voltak villamos berendezések, a sínhálózatnak –alapvető feladatként – csak a vasúti járművek okozta terhelések biztonsággal való elviselését, a járművek megvezetését, haladási irányvonalának meghatározását kellett megteremtenie, egyéb más követelménynek való megfelelés igénye akkor nem merült fel.
A sínhálózatnak az alapvető feladaton túli további funkciók ellátására való alkalmassá tételének igénye először a vasúti épületek és rendszerek villámok elleni védelmének kiépítése kapcsán merült fel.Az épületek és rendszerek, valamint az azon belüli javak villámcsapás elleni védelmét megvalósító rendszer egy a villámcsapást az alkalmas kialakítása révén felfogó elemből, a töltéskiegyenlítődésből eredő villámáramnak, a védendő területet megkerülő nyomvonallal kiépített áramútját megteremtő levezető elemből és végül a villámáramnak a föld felé való minél kedvezőbb szétterjedését lehetővé tevő földelő elemből áll.
Általánosan a villámáram föld felé való szétterjedését biztosító eszközként egyedi szalagföldelőket, földelőrudat vagy rudakat alkalmaztak. A vasút területén – a vasúti sínek környezetében – lehetőség nyílt arra, hogy a meglevő sínhálózatot alkalmas módon átalakítva, majd ahhoz csatlakozva biztosítsák a villámáram föld felé való levezetését. Ennek érdekében a sínszálak csatlakozásánál alkalmazott kötéseket (hevedereket) – a mechanikai kapcsolat megteremtésén túl – a sínvégek közötti fémes áramvezető kapcsolat biztosítására is alkalmassá kellett tenni, valamint az egymás melletti sínszálakat is kapcsolatba kellett hozni. Az így fémesen egybefüggővé tett sínhálózatot – a megfelelő gyakorisággal elhelyezett földelőrudak vagy szalagföldelők alkalmazásával – a földdel összekötve, egy nagykiterjedésű, földpotenciálon levő, a föld felé kedvező szétterjedési tulajdonságokkal rendelkező földelőelemet kaptak.Ennek megfelelően a sínszálakhoz vagy az azzal jól vezető fémes kapcsolatban levő elemekhez való csatlakozás, az azokhoz való bekötés a föld felé jó vezető kapcsolatot, azaz jó levezetőképességű „földelést” biztosított. A vasúti villámvédelmi rendszerek földelőelemének a kialakítása így gyakorlatilag a sínszálakhoz való becsatlakoztatással megoldható lett (1. ábra).
Az ilyen kialakítású sínhálózat létesítését követő időponttól datálható lényegileg az, hogy a szakzsargon a sínhez való csatlakozásra vagy bekötésre való hivatkozáskor általánosan a „földelés” megnevezést kezdte alkalmazni.A hőskor idején fennálló helyzetkép jelentette „boldog békeidők” után megjelenő különféle villamos berendezések egyre összetettebb, egymásra egyre nagyobb mértékben ható üzeme a sínhálózat további átalakítását, azaz további funkciók ellátására való alkalmassá tételét igényelte.
2 A kisfeszültségű villamos berendezések üzeméből eredő további követelményeknek való megfelelés
A kisfeszültségű villamos üzemű berendezések elterjedése során a villamosság számos előnyös és ezzel párhuzamosan számos hátrányos tulajdonságával kellett szembesülni.Az egyik ilyen – esetünkre nézve – hátrányos tulajdonság az áram élettani hatása volt, amely során – az emberi szervezeten átfolyó villamos áram mértékétől függően – már érzékelhető, de károsodást még nem okozó, múló jellegű károsodást okozó, illetve visszafordíthatatlan vagy a további életfolyamatot kizáró károsodást eredményező elváltozások alakultak ki.
A villamos készülékek és berendezések meghibásodásainak eredményeképpen a külső közvetlenül megérinthető üzemszerűen feszültség alatt nem álló, de a meghibásodások révén véletlenszerűen feszültség alá kerülő vezető anyagú felülettel érintkező élő szervezeten (emberi testen) áthaladó és a talajon keresztül záródó áramút alakult ki, amely nem kívánt élettani hatása az „áramütés” révén veszélyhelyzetet teremtett.Az ilyen módon kialakuló veszélyhelyzet hatóképességének csökkentésére és megelőzésére irányuló tevékenység a hiba következtében kialakuló áram élő szervezeten való áthaladásának megakadályozását, az áramérték veszélytelen értékre való korlátozását, illetve a hibaáram időtartamának veszélytelen időtartamra való korlátozását tűzte ki célul.
A kezdeti időszakban jellemzően a földeléssel megvalósított védelem volt az általánosan használt eljárás. Az aktív elemében földelt ponttal rendelkező áramforrás esetén, a védendő berendezés – meghibásodása révén feszültség alá kerülő vezető anyagú – felületét a földdel jó vezetőképességű kapcsolatba hozva, azaz az érinthető felülethez csatlakoztatott „földelés” alkalmazásával a meghibásodást követően a földön keresztül záródó hibaáramkör alakul ki.
Ha a kialakuló hibaáram értéke viszonylag kicsi, akkor a védendő készülékhez csatlakozó földelés átmeneti (szétterjedési) ellenállásán viszonylag kismértékű feszültség esik, azaz a föld és a megérinthető felület közötti kis ellenállású kapcsolat kialakításával egyben az emberi test által áthidalt pontok közötti „érintési feszültségkülönbség” mértékét is minimalizálni lehet.
Ha a kialakuló hibaáram értéke nagy, akkor az áramforrásnál vagy a berendezésnek az áramforrás által táplált hálózatra való csatlakozásánál alkalmas módon kialakított túláramvédelem (a kezdetekben jellemzően olvadó biztosító) a hibaáramot már nem megengedhető mértékű túláramként érzékelve, azt megszakítva, a berendezés táplálását meg tudja szüntetni. A túláramvédelem alkalmas kialakításával – a kioldást eredményező áram és a kioldási idő nagyságának megfelelő megválasztásával – eredményesen korlátozható volt a hibaállapot okozta veszélyeztetés fennállásának az időtartama ,az áramütés bekövetkeztének a kockázata.
A vasúti sínhálózat közeli villamos berendezésekhez csatlakoztatandó földelés kialakítását – az általánosan alkalmazott, egyedileg létesített földelések gyakorlatával szemben – célszerűen a nagykiterjedésű, a földdel nagyon jó vezető kapcsolatban lévő, a föld felé kedvező szétterjedési tulajdonságokkal rendelkező sínhálózathoz való csatlakozással valósították meg, amit– a funkciójára utalva – a szakzsargon szintén földelésként nevesített meg,
A vasút közeli kisfeszültségű villamos berendezések üzeme gyakorlatilag nem igényelte a sínhálózat további átalakítását, azaz ezen a téren a hőskori „boldog békeidők” még ezt követően is zavartalanul folytak. A sínhálózat villamosan összefüggő nagy kiterjedésű földelőelemként működött, amelyen gyakorlatilag csak a villámcsapások, illetve a kisfeszültségű villamos berendezések meghibásodása esetén folyt át korlátozott ideig áram.
A „boldog békeidők” idején fennálló helyzetképű sínhálózattal szemben a villamos vontatási üzem bevezetése és a vágányfoglaltsági helyzet érzékelésére „sínáramköröket” alkalmazó biztosítóberendezések kiépítése viszont a sínhálózat kialakításával szemben már alapvető változtatásokat igényelt. Amíg az előzetes időszakban a sínhálózaton csak különleges esetben folyt áram, addig villamos vontatás, illetve a sínáramköröket használó biztosítóberendezés működése során a sínhálózaton át már üzemszerűen folyó áramok fennállásával kellett számolni. Tekintettel arra, hogy a két új rendszer működése alapvetően kihat egymás működési környezetére, a bevezetésük révén kialakuló változásokat célszerű egymásra épülten, együttesen kezelten áttekinteni.
3 A nagyfeszültségű villamos vontatási üzemnek való megfelelés
A nagyvasúti nagyfeszültségű villamos vontatási üzemet lehetővé tevő rendszer energiaátviteli utat biztosító áramkörének egyik részét a villamos vontatási felsővezeték-hálózat, a másik részét pedig a vontatási áramkör záródását biztosító – a rendszer kialakításától függően a földdel kisebb-nagyobb mértékű kapcsolatban lévő –földági áram-visszavezető hálózat alkotja (2.ábra).
A kisfeszültségű villamos energiaellátó-rendszer fogalmait használva a felsővezeték tekinthető a „fázis-vezetőnek” és a földági áram-visszavezető hálózat a „nulla-vezetőnek”. A földági áram-visszavezető hálózat egyes alkotó elemeit, illetve az azzal bizonyos okokból kapcsolatba kerülő szakaszait a szakzsargon általánosanszintén földelésként nevesíti, ami viszont már több vonatkozásban eltér a „boldog békeidők” során definiált földelés fogalmától.
A villamos mozdonyok és a felsővezetékhez csatlakozó egyéb berendezések mint fogyasztók (pl. előfűtő telepek, váltófűtések transzformátorai stb.) az üzemükhöz szükséges villamos üzemi áram-ot az alállomások (áramforrások) által megtáplált felsővezetékről kapják. A fogyasztókat követően az üzemi áram a szakzsargon által az „üzemi földelés”-ként nevesítettföldági áram-visszavezető hálózaton keresztül kialakuló áramúton át záródik (2.ábra).
Az üzemi földelést – az általánosan használt rendszerek esetében – jellemzően a vágányzat és a föld együttesen alkotja. Az áram-visszavezetés akadálytalansága miatt fontos, hogy a vágányok egyes sínszálai hosszirányba egymással jól vezető fémes kapcsolattal legyenek összekötve, továbbá a párhuzamosan futó vágányok között – lehetőség szerint – ciklikusan kialakított keresztkötések révén párhuzamos áramutak alakuljanak ki.
Az üzemi áram visszavezetésének akadálytalanságára való törekvés jelentette követelmény elvileg a „boldog békeidők” idején fennálló helyzetképű sínhálózattal szemben jelentős változtatást nem igényelt, csak továbbra is biztosítani kellett a földági áram-visszavezető hálózat villamos folytonosságát.
A gyakorlatban viszont már számos olyan megoldandó probléma jelentkezett, amely a hagyományos kisfeszültségű villamos berendezések üzeme során még nem jelentett gondot. Gondoskodni kellett arról, hogy az egybefüggőséget megteremtő kötések kialakítása olyan legyen, hogy az biztonsággal el tudja viselni a tartósan fennálló üzemi áramok jelentette terhelést, és kialakításuk során számolni kellett továbbá az esetlegesen jelentkező fogyasztói zárlatok miatt korlátozott ideig fennálló, az üzemi áramot nagyságrendileg meghaladó mértékű zárlati áramoknak való megfelelés követelményének a kielégítésére, azaz a zárlati szilárdság biztosítására is.
Az áram-visszavezető hálózatot gyakorlatilag a számos helyen leföldelt sínhálózat alkotja, amely esetén komoly problémát jelent a visszavezetés folytonosságának esetleges megszakadása vagy valamely munkafolyamat révén történő megszakítása, mivel a megszakadó áram-visszavezető hálózat megszakított pontjai között akár a tápfeszültség értékét is megközelítő mértékű jelentős feszültségkülönbség léphet fel (2.ábra). Ezért a villamos vontatási üzem bevezetésével gondoskodni kellett az áram-visszavezető hálózat folytonosságának megtartásáról, a munkafolyamatok leszabályozása által a megszakítás bekövetkeztének az elkerüléséről!
Az előzőek figyelembevétele mellett a „boldog békeidők” idején fennálló helyzetképű sínhálózat látszólag még megtartható volt.Ténylegesen viszont a hosszláncrendszerű felsővezeték kialakítása, működési körülményei és sajátosságai következtében számos további gyakorlatban megoldandó problémával kellett számolni.
A nagyfeszültségű villamos készülékek és berendezések meghibásodása révén kialakuló esetleges áramütés elkerülése érdekében ezért további vizsgálódás szükséges. A felsővezeték-rendszerről táplált fogyasztók (például segédüzemi transzformátorok) üzemszerűen feszültség alatt nem álló, de a meghibásodások eredményeképpen feszültség alá kerülő külső felületén megjelenő nagyfeszültség – a kisfeszültségű berendezésekhez viszonyítottan – fokozottabb hatóképességű veszélyforrást jelent.A nagyfeszültségű hosszláncrendszerű felsővezeték tartását tartóoszlopok és az azokhoz villamos elválasztást biztosító szigetelőelemekkel csatlakozó egyedi vagy csoportos megfogást megvalósító tartószerkezetek biztosítják (3. ábra). A szigetelőelemek meghibásodása során – a fogyasztók esetében leírtakkal analóg módon – az oszlopok üzemszerűen feszültség alatt nem álló, de a meghibásodások eredményeképpen feszültség alá kerülő külső felületén megjelenő nagyfeszültség szintén fokozottabb hatóképességű veszélyforrást jelent.
A felsővezetéki hosszláncról a közlekedő jármű csúszóáramszedős kapcsolaton keresztül kapja a táplálást, amelyből eredően bennük különböző mértékű statikus és dinamikus, kölcsönösen ható mechanikai igénybevétel lép fel. A változó mértékű igénybevétel fokozottan veszi igénybe az áramszedő és a felsővezetéki hosszlánc építőelemeit, amely eredményeképpen megnövekszik az elemek meghibásodásának az esélye, a rendellenes állapot kialakulása. Emiatt a rendellenes állapotba kerülő áramszedő, illetve az elszakadó, kicsapódás mellett leeső hosszlánc révén a felsővezeték-rendszer közeli – a villamos vontatási rendszertől független céllal létesült – berendezések, építmények is feszültség alá kerülhetnek, így ezek is fokozottabb hatóképességű veszélyforrássá válhatnak.
A felsővezeték-rendszer üzemének tapasztalatai alapján szabványokban kerültek megadásra azok az ajánlott távolságértékek, tartományok, amelyeken belül elhelyezkedő berendezések, építmények esetében reális esély van azok feszültség alá kerülésére. (Például az MSZ EN 50122 szabvány [4] a 4. ábra szerinti értékeket veszi figyelembe.)Ennek megfelelően a nagyfeszültségű villamos vontatás esetében a villamos fogyasztók meghibásodása révén kialakuló veszélyforráson túl további két veszélyforrástípus felléptével is kellett számolni, azaz a nem kívánt élettani hatás, az „áramütés” elkerülésének érdekében ezek esetében is meg kellett tenni a szükséges megelőző intézkedéseket.
A villamos vontatást végző járművek mint fogyasztók nagyüzemi áramfelvétel mellett jellemzően helyzetüket változtatva vételeznek, ekkor a talajon állva a megérintésüknek viszonylag kicsi a valószínűsége, illetve az ezt a helyzetet megvalósító személyek részére a kialakuló „mechanikai behatás” lényegesen nagyobb kockázatú veszélyhelyzetet jelent, mint az esetleges villamos meghibásodás során kialakuló áramütést okozó veszélyhelyzet.
Az álló helyzetű járművek esetében a megfelelően kialakított hibavédelemmel és a megérintést korlátozó rendelkezések betartatásával lehet minimalizálni a kockázatot. A járművek esetében előnyt jelent az, hogy a belső meghibásodásaik során a saját védelmi kioldó rendszerük révén is minimalizálható a hibahelyzet fennállásának az időtartama.
A helyhezkötött fogyasztók (például a segédüzemi transzformátorok) jellemzően a felsővezeték-rendszer tartására létesített oszlopokra vagy az azokkal azonos kialakítású egyedileg elhelyezett oszlopokra szerelten, az oszlopok fémszerkezetével a külső érinthető felületükben jól vezető fémes kapcsolattal összekötötten kerülnek kialakításra. Ennek megfelelően az adott oszlop és fogyasztó érinthető külső felülete villamosan egy egységet képez, azaz az áramütés elkerülése érdekében azok egy egységként kezelhetőek.
A kialakuló veszélyhelyzet mértéke szempontjából a hiba bekövetkeztében feszültség alá kerülő fogyasztók, a felsővezetéki tartóoszlopok, valamint a felsővezeték-rendszer közelében elhelyezkedő építmények és szerkezetek közel azonos veszélyességi szintet jelentenek. A megérintés jelentette áramütés kialakulásának a kockázata a rendszerek kialakítása, korossága, előzetes sérülései miatt ugyan eltérő értékű lehet, de a gyakorlat szerint a hibák bekövetkeztének véletlenszerűsége miatt ebben érdemi különbségtételt nem célszerű tenni.Ennek megfelelően a felsővezetéki oszlopok és a meghibásodások révén a környezetben levő, feszültség alá kerülő építmények és berendezések esetében egyaránt egységes védelmi szintet biztosítóan kell gondoskodni az „áramütés” elkerüléséről.
A régen már bevált földelési elvet alkalmazva – azaz jól vezető fémes kapcsolatot létrehozva a föld és a feszültség alá kerülő felület között – csak részben érhető el a probléma megoldása.
A nagyüzemi feszültség miatt (25 000V) a védendő készülékhez csatlakozó, reálisan megvalósítható vezetőképességű és átmeneti (szétterjedési) ellenállással rendelkező földelésen – jelen esetben a nagykiterjedésű földelőhálózatként tekinthető sínhálózatra történő becsatlakozáson – az emberi test által áthidalt pontok között, a kisfeszültségű rendszerekhez képest már lényegesen nagyobb, „érintési feszültségkülönbség” jelentkezhet.
A gyakorlati tapasztalatok szerint a felsővezeték-rendszer és az azt tápláló alállomás adottságaitól, illetve a hibahelynek a betápláláshoz viszonyított relatív elhelyezkedésétől függően közelítőleg 3000–5000 amper értékű hiba vagy rövidzárlati áramértékekkel lehet számolni. Ez az áramérték például egy 0.1 ohm eredő átmeneti ellenállással rendelkező földelésen, azaz sínhez való becsatlakozáson (a gyakorlatban ez az érték nem vagy csak nehezen valósítható meg, illetve tartható fenn) már 300–500 voltos érintési feszültségkülönbséget eredményez, amely az azzal kapcsolatba kerülő élő szervezetben (emberi testben) már meg nem engedhető, életveszélyes élettani hatást vált ki. (A valóságos esetekben a becsatlakozáson kialakuló feszültségek nagyságára általában nagyobb értékek adódnak.)
Ennek alapján kimondható, hogy a gyakorlatban reálisan alkalmazható kialakítás mellett nem létesíthető olyan földelt sínhálózathoz csatlakozó bekötés, amely révén a kialakuló érintési feszültségkülönbség értéke ne haladná meg az élő szervezetre már káros szintet!
Az előzőek alapján az áramütés bekövetkeztének elkerülése érdekében a rendszer meghibásodása esetén működésbe lépő védelmi módot kellett bevezetni azzal párhuzamosan, hogy az áramütés kockázatának csökkentése érdekében belső utasítások, követendő magatartási előírások életbeléptetésével, azok következetes betartatásával lehetőség szerint eleve el kell kerülni, meg kell előzni a hiba során feszültség alá kerülő felületek érintésével járó veszélyhelyzetek létrejöttét.
Elvileg az eddig jól bevált gyakorlat szerint a védendő berendezések érinthető felületeinek földelése révén meghibásodáskor kialakuló hibaáram érzékelésével megvalósított lekapcsolással megakadályozható a veszélyhelyzet hosszabb ideig történő fennmaradása.A valóságban viszont számolni kell azzal, hogy a 2. ábra szerinti kialakításnál a sínhálózathoz való bekötéssel – a kisfeszültségű rendszerek esetében használt megnevezések szerinti nulla vezetőhöz való bekötéssel – hozzuk létre a földelést. A megadott kialakítás mellett az áram-visszavezető hálózat esetleges megszakadása esetén (5. ábra) a hiba során a sínhálózat talaj felé kialakuló átmeneti ellenállásának közbeiktatása révén kialakuló hibaáram nagysága már nem minden esetben tudja biztonsággal a védelem leoldását elérni, azaz a hibahelyzet esetlegesen hosszabb ideig fennmaradhat.Ennek elkerülésére célszerű az eddig kialakított áram-visszavezető hálózattal párhuzamosan egy további jól vezető, földön keresztül záródó sönt áramutat is létrehozni, amely az alállomási kitáplálásának a föld felé kis szétterjedésű ellenállással rendelkező saját belső földelésének létesítésével érhető el (4. ábra).Az ilyen módon kialakított kapcsolat az alállomási védelem részére egyértelműbben észlelhetővé teszi a kialakult hibát, amelynek a rövid időn belüli lekapcsolása révén biztosítja a hibahelyi zárlat és az annak révén kialakuló potenciálemelkedés mielőbbi megszüntetését.
A tapasztalatok szerint az önmagában – a sínhez való becsatlakoztatás nélkül – álló felsővezetéki oszlop a saját betonalapján keresztül a föld irányába mintegy 10–20 ohm nagyságú önálló szétterjedési ellenállással rendelkezik. Az alállomás közeli elhelyezkedése esetén ezen keresztül akár 1500–2500 amperes hibaáram is kialakulhat, amely a túláramvédelem egyértelmű kioldását eredményezi. Az alállomástól távolabb a hibaáram értéke az áramút hurokellenállásának növekedése miatt ugyan ehhez képest lecsökken, de a kialakuló hibaáram fázishelyzetének érzékelésével – az impedanciavédelmek alkalmazásával – a normál üzemi áramtól egyértelműen megkülönböztethető marad, és így a hibaállapot fennállása megszüntethető. A helyzetet természetesen lényegesen javítja az, ha a sínhálózatba történő bekötéssel tovább lehet csökkenteni a hibaáram áramútjának az eredő hurokellenállását.
Eddig eljutva bár még mindig nem értünk el a problémakör végére, de már az eddigiek alapján is egyre jobban érthető a „boldog békeidők” idején fennálló helyzetképű sínhálózat üzeme iránti nosztalgikus visszaemlékezés, ugyanis vizsgálódásunkban tovább haladva további összetett problémák áttekintésével kell foglalkozni. A villamos vontatás áram és feszültségviszonyait megvizsgálva [2] megállapítható, hogy a villamos mozdonyok üzemi árama a földági áram-visszavezető hálózaton keresztül a sínhálózat és az azzal párhuzamosan kialakuló, a földön át vezető áramutak között megosztva záródik, amelynek a sajátosságai miatt a vontatási áramkör váltakozóáramú ellenállása (impedanciája) nagyobb értékű lesz. Ebből adódóan egy adott üzemiáram-felvétel mellett rövidebb felsővezetéki kitáplálási hossz esetén biztosítható csak az elvárt fogyasztói feszültség, ami miatt olyan megoldások alkalmazása kerül előtérbe, amelyeknél a földön át folyó áramhányad lehetőség szerinti csökkentése a cél.
A földön átvezető áramúton folyó áramhányad egyrészt a sínhálózat és a föld közötti levezetés mértékének csökkentésével, praktikusan a sín és a föld között létesített ciklikus földelések megszüntetésével, illetve a felsővezeték-rendszer párhuzamos áramvezető elemeinek alkalmas elrendezésével mérsékelhető [5]. A sín–föld kapcsolat visszabontása viszont lerontja a „boldog békeidők” idején fennálló helyzetképű sínhálózat általánosan földelésként használt funkcióját. Részben ezzel indokolhatóan, részben az időközben a sínhálózattal kapcsolatba kerülő kisfeszültségű berendezések túlfeszültség-érzékenysége miatt célszerű volt a vasút közeli épületek és berendezések villámvédelmi célú földeléseit a vasúti sínhálózattól leválasztani és azokat attól független módon kiépíteni.
A helyzetet tovább bonyolítja, hogy a vasútüzem forgalmának a biztonsága érdekében telepített biztosítóberendezés a vágányfoglaltság érzékelése céljából a sínhálózatot alkalmas szakaszokra osztva, az azokon keresztül kiépített sínáramkörök felhasználásával látja el a feladatát. A sínhálózat és a föld közötti levezetés ezen áramkörök működésére is kedvezőtlen hatású, illetve esetenként működésüket alapvetően zavaró hatást is eredményez, így ez is egy mértékadó további indoka volt a régebben ciklikusan telepített földelések megszüntetésének.
4 A villamos vontatási üzemnek és a sínáramköröket alkalmazó biztosítóberendezéseknek való együttes megfelelés
A földági áram-visszavezető hálózat folytonosságának és a sínáramköröket alkalmazó biztosítóberendezés zavartalan működőképességének megteremtése együttesen biztosítandó feladat. A biztosítóberendezés lehetséges kialakításától függetlenül a földági áram-visszavezető hálózat folytonosságát minden körülmények között fenn kell tartani, azaz ennek megfelelően betartandó az az „ökölszabály”, amely szerint– üzemi földelésként– minden körülmények között legalább két, párhuzamosan kapcsolódó, az áram-visszavezetés feladatát önállóan is ellátni tudó áramutat kell biztosítani. Ugyanakkor a sínáramköröket alkalmazó biztosítóberendezés működéséhez a sínszálak és a párhuzamos vágányok közötti zavaró hatású összeköttetéseket meg kellett szüntetni.A sínáramköröket alkalmazó nem önműködő és félig önműködő térközbiztosító, illetve állomási berendezéseknél csak az egyik sínszál szolgál folyamatosan az áram visszavezetésére. Ilyenkor a megfelelő áram-visszavezetési körülmények biztosítása érdekében a másik sínszálba épített, szigetelt sínmezőt megkerülő áramutat kell létesíteni.
Egysínszálas szigetelésű (6. ábra) önműködő térközbiztosító berendezéssel felszerelt vonalakon, továbbá egysínszálas váltó- és vágányfoglaltságot jelző biztosítóberendezésekkel felszerelt állomásokon a vágányoknak váltakozva csak az egyik sínszála szolgál a villamos vontatás üzemi földeléséül. A másik elszigetelt sínszál a biztosítóberendezés működtetéséhez szükséges áramot vezeti. A vágányok nem szigetelt sínszálai egymással Z alakú kötésekkel vannak összekötve.
Kétsínszálas önműködő térbiztosító berendezésekkel, továbbá a kétsínszálas szigetelésű váltó- és vágányfoglaltságot jelző biztosítóberendezésekkel felszerelt állomásokon –tekintettel mindkét sínszál szigetelt állapotára – az üzemi földelésa szigetelt sínszálak közé kapcsolt kiegyenlítő vágányfojtó (drosszel) transzformátor középkivezetéséhez van fémes csatlakozással kapcsolva. A vontatási áram visszavezetésében ezért mindkét sínszál szimmetrizáltan – a felsővezeték-rendszer elrendezésétől függő impedancia viszonyoktól függően – közel azonos mértékben vesz részt.
Az előző 3. pontban tárgyaltak szerint a fogyasztók, továbbá a felsővezeték közelében hibavédelemmel ellátandó berendezések és létesítmények védelmét azok sínhálózatba való bekötésével alakították ki. A saját betonalapjukon keresztül a föld irányába mintegy 10–20 ohm nagyságú önálló szétterjedési ellenállással rendelkező felsővezetéki oszlopoknak – vagy más, a föld felé kedvező önálló szétterjedési ellenállással rendelkező létesítményeknek – a sínszálakhoz való közvetlen csatlakoztatása megzavarhatja vagy téves működésre készteti a sínáramkört használó biztosítóberendezést. Ezért a hibavédelem céljából kialakított bekötéseket a biztosítóberendezés működőképességének megtartását garantáló módon kell kialakítani.
Nem szabad elfelejtkezni viszont arról, hogy a biztosítóberendezés működését lehetővé tévő módon kialakított sínáramkörszakaszok is az üzemi földelés részei, amelyek folytonosságának a megbontása üzemben lévő felsővezeték mellett, előzetes villamos kiváltás vagy feszültségmentesítés nélkül veszélyes, ezért TILOS!
Az új rendszerű – sínáramköröket nem használó – biztosítóberendezés esetében minden sínszál, azaz a teljes vágányhálózat már ismételten villamosan egybefüggően alkothatja az üzemi földelést.
5 A villamos vontatási üzem esetén jelentkező áramütést jelentő helyzetek kezelése
Minden érintésnek kitett, üzemszerűen feszültség alatt nem álló, de hiba esetén feszültség alá kerülő felsővezetékről táplált fogyasztó vagy a felsővezeték kialakításából adódóan esetlegesen kialakuló hiba folytán feszültség alá kerülő berendezés esetében gondoskodni kell a megfelelő áramütés elleni védelem kialakításáról. Az ilyen célú áramköri kialakítást a szakzsargon érintésvédelmi földelésként nevesíti.A felsővezetéki szempontból az érintésvédelmi földelés alatt a védelemmel ellátandó fémtárgy és az egyben üzemi földelés feladatát is ellátó földelt sínhálózat között kialakított kapcsolat értendő, amely – az érintett vonalszakasz biztosítóberendezésének kialakításától függően –lehet közvetlen fémes vagy szikraköz közbeiktatásával kialakított. Az érintésvédelmi földelés kifejezetten csak a hibaállapot bekövetkeztével kezd működni, és az azon keresztül kialakuló hibaáram csak a védelem leoldásáig tartó korlátozott ideig áll fenn.
A sínhez közvetlenül nem megfelelő módon becsatlakoztatott, a föld felé kis szétterjedésű ellenállással rendelkező oszlopok és berendezések a kétsínszálas biztosítóberendezés esetében problémát okozhatnak. A vontatási áram szimmetrizáló (drosszel) transzformátorokon történő átvezetése miatt gyakorlatilag szimmetrikusan oszlik meg a két párhuzamos sínszál között. Ha valamelyik sínszál esetében a rácsatlakozó földbekötések révén az egyik oldalon a föld felé kisebb levezetési ellenállás alakul ki, akkor a két sínszál között nem azonos mértékben megoszló vontatási áramhányad a szimmetrizáló transzformátor tekercseiben nem fejti ki teljesen az egymást kioltó gerjesztő hatását, azaz a biztosítóberendezés által használt jelátvitelt megzavarja vagy lehetetlenné teszi.Ennek elkerülése érdekében a sínszálakra ciklikusan csatlakoztatott bekötésekkel csatlakoztatják az oszlopokat, illetve a túl jó levezetőképességgel rendelkező oszlopok úgynevezett szikraközök közbeiktatása mellett kerülnek bekötésre.
A szikraközöket sok esetben, a tényleges feladatuktól eltérően, működésüket nem helyesen értelmezve, azokat nem megfelelően alkalmazva próbálják használni. A szikraköz kizárólag a nagyfeszültségű rendszer szempontjából hibavédelemmel ellátandó érintésvédelmi földelés kialakítására alkalmazható.
A normál üzemi körülmények között a szikraköz nem vezető elválasztást biztosít, azaz a biztosítóberendezés üzemét megzavaró mértékű levezetéssel rendelkező elem nem tudja kifejteni a zavaró hatását. A hibavédelem működésének szükségessége esetén a védendő berendezésen – az előzőekben részletezettek szerint – jelentős nagyságú „érintési feszültségkülönbség” alakul ki, amelynek hatására a szikraköz vezetővé válik, és a továbbiakban az érintésvédelmi földelés működése a közvetlenül bekötött helyzetnek megfelelően folytatódik. A hibahelyzet megszűnésekor (a kitáplálás megszakítása révén a hibaáram megszakadásakor) visszaáll a szigetelőállapot, és a továbbiakban helyreáll a biztosítóberendezést nem zavaró üzemállapot.
Tekintettel a 25000 voltos nagyfeszültségű rendszer révén kialakuló jelentős nagyságú „érintési feszültségkülönbség”nagyságára, a jellemzően kb. 700V körüli megszólalási feszültséggel rendelkező szikraközök viszonylag nagy megszólalási feszültségérték szóródás (a Gauss eloszlásnak megfelelően gyakorlatilag akár 500–900V közötti megszólalás is tapasztalható) mellett is megfelelően látják el a feladatukat. Mivel a szóródás szerinti legnagyobb megszólalási feszültséget is lényegesen meghaladó nagyságú „érintési feszültségkülönbség” alakul ki, a szikraközök biztonsággal vezető állapotba kerülnek.
Kisfeszültségű berendezésekhez csatlakoztatva a felsővezetéki szikraközök nem alkalmazhatóak, mivel azok üzemi és hiba feszültségét meghaladó megszólalási feszültséggel rendelkeznek, azaz olyanok, mintha ott sem lennének, de a kellő hozzáértéssel nem rendelkező személyekben téves biztonságérzetet kelthetnek!
Az érintésvédelmi földelések megbontásakor, az esetlegesen kialakuló hibahelyzet miatt (pl. pont akkor törik el a szigetelő) veszélyhelyzet alakulhat ki, ezért az erre irányuló tevékenységet csak az arra kiképzett és feljogosított személyzet végezheti el, a megfelelő biztonságot garantáló munkamódszer által előírt előzetes óvintézkedések megtétele után.Az üzemi földelés megbontása esetén a fokozott hatóképességű veszélyforrást jelentő részei – például az alállomások földági visszavezetéseinek, a felsővezetékről táplált 25/0.230 kV-os transzformátorok és az 1500 V-os előfűtő berendezések felsővezetéki hálózatról üzemelő transzformátorainak síncsatlakozásai – figyelmeztetőtáblával és a síngerinc vörös festésével figyelemfelhívóan meg vannak jelölve. Az ilyen helyeken az üzemi földelések folytonosságát csak előzetes feszültségmentesítés után lehet megszakítani, megbontani. Az ideiglenesen telepített párhuzamos átkötés vagy kiváltás ezeken a helyeken nem alkalmazható!
6 Az érintési feszültségkülönbség nagyságának és fennállási időtartamának kérdése
Mint azt az előzőekben már áttekintettük, a meghibásodás révén kialakuló érintési feszültségkülönbség nagyságának, illetve fennmaradási időtartamának csökkentése révén mérsékelhető a meg nem engedhető károsodást okozó áramütés kockázata.Az eddigiekben alapvetően a fogyasztók, a vágányhálózat környezetében elhelyezkedő berendezések és létesítmények feszültség alá kerülése révén létrejövő kockázatot tekintettük át, az érintési feszültségkülönbséget ezek érinthető felülete és a föld között kialakuló feszültségkülönbségként, az érintésvédelmi földelés kiépítésének szükségességeként vizsgálva vettük figyelembe.Mint láttuk, normál üzemi helyzetben a földági áram-visszavezető hálózaton keresztül záródik a vontatás üzemi árama és a fogyasztó belső – földzárlatot nem jelentő – meghibásodása során kialakuló zárlati szintű áram.Az átfolyó áram mértékétől függően eltérő nagyságú sínpotenciál-emelkedés alakul ki az alállomás kedvező szétterjedési ellenállást biztosító helyi földelőjének potenciáljához képest. Ha a földön át folyó áramúton csekély mértékű áramhányad folyik, vagy a kialakított rendszerből adódóan nem folyik földáram, akkor a sínhálózathoz közeli – kedvező önálló szétterjedési értékkel rendelkező – létesítmények potenciálja gyakorlatilag közel azonos lehet az alállomás helyi földelőjének potenciáljával. Ebből következően ezekhez viszonyítva változó mértékű sínpotenciál-emelkedéssel kell számolni, amely kedvezőtlen esetben elérheti vagy meg is haladhatja az élő szervezet által károsodás nélkül elviselhető szintet.Az így esetlegesen üzemszerű állapotban akár tartósan is fennálló sínpotenciál-emelkedés mértékét – az általa létrehozott veszélyeztető hatás miatt – megfelelő intézkedésekkel korlátozni kell.
A gyakorlati tapasztalatok és számítások alapján szabványokban szabályozták az érintési feszültségkülönbség nagyságának és fennállási időtartamának még károsodást nem okozó értékeit. Ezen a téren a nemzetközi gyakorlatnak megfelelő MSZ EN 50122 szabványban [4] előírtak betartása javasolható.
Ennek megfelelően a váltakozóáramú vontatási rendszereket úgy kell tervezni, hogy a kialakuló érintési feszültségek nagysága és fennállásának időtartama ne haladja meg a szabvány 9.2 pontjában megadott értékeket. Amennyiben ez bármely ok miatt nem valósítható meg, úgy egyéb intézkedésekkel kell gondoskodni arról, hogy az erre külön ki nem képzett személyek a megemelkedő sínpotenciál hatókörzetébe kerüljenek.
A meg nem engedhető mértékű érintési feszültségeket mind az üzemi, mind a hiba bekövetkeztében kialakuló állapot esetében vizsgálni kell. A megfelelő biztonság elérése érdekében minden esetben a legkedvezőtlenebb feltétel mellett is teljesülő megoldás csak az elfogadható.
A váltakozóáramú vontatási rendszerre az idő függvényében az MSZ EN 50122 [4] szabvány 4. táblázata (7. ábra) tartalmazza a megengedett Ute,max testre ható maximális feszültséget.
A kialakuló veszélyhelyzet jelentette kockázat mérséklésére számos megoldás alkalmazható, amelyek közül – a teljesség igénye nélkül – az alábbi főbb lehetőségek vehetők figyelembe:
- a zárlati áram megszakításához szükséges kioldási időt csökkentő megoldások alkalmazása;
- a sín és a föld közötti ellenállás csökkentését lehetővé tevő rendszer alkalmazása;
- a megérintés esélyének csökkentése elkerítéssel, illetve a szakszemélyzet részére előírt magatartás szabályozása;
- feszültségkorlátozó eszközök alkalmazása (nem tévesztendő össze a szikraközzel!);
- potenciálbefolyásolás megfelelő kialakítású földelőelektródák alkalmazásával.
Az előzőek alapján látható, hogy a megfelelően kialakított vontatási hálózat védelme a korszerű alállomási védelemmel minél jobban összehangoltan már eredményesen tudja csökkenteni az esetlegesen kialakuló veszélyhelyzet jelentette kockázatot.
Kiemelt figyelmet érdemel a sín és a föld közötti ellenállást csökkenteni képes rendszer alkalmazása. Napjaink egyre korszerűsödő biztosítóberendezései már sínáramkörök alkalmazása nélkül is el tudják látni a feladatukat, lehetővé téve ezzel a problémamentesebben üzemeltethető, „boldog békeidők” idején fennálló helyzetképű sínhálózathoz történő visszatérés lehetőségét.Egyben egyszerűbben alkalmazhatóvá válnak azok a megoldások, amelyek révén a kitáplált felsővezeték-rendszerhez tartozó táplálási szakasz hossza – a fogyasztói feszültség biztosításának megtartása mellett – megnövelhető. Erre jó példaként említhető a Mezőzombor–Sátoraljaújhely vonalszakasz jelenleg folyó villamosítási munkái során alkalmazott megoldás. Itt a MÁV által vizsgált [5] lehetséges felsővezetéki elrendezések közülelőször kerül megvalósításra a valamennyi lehetséges áramutat alkalmazó változat.A 100mm2 keresztmetszetű réz munkavezetéket, 50 mm2 keresztmetszetű bronz tartósodronyt, 240mm2 AASC megerősítő sodronyt, 240mm2 AASC tápvezetéket és 240mm2 AASC ÁVV áram-visszavezető sodronyt tartalmazó elrendezés, a kedvező táplálási hossz mellett, kedvező potenciálhelyzetet is megvalósít.A valamennyi oszlophoz és az oszlopokon át a sínszálakhoz fémesen csatlakozó ÁVV sodrony üzeme révén gyakorlatilag visszahozza a „boldog békeidők” idején fennálló nyugodtabb üzemállapotokat.
7 Összefoglalás
A jelen cikk megírásának szándéka alapvetően az volt, hogy áttekintve a nagyvasúti vontatási rendszer „földkérdését”, segítse a napi aktualitással rendelkező vitás kérdések megoldásához vezető folyamatok előrehaladását.A témával kapcsolatban – a rendelkezésre álló ismeret szerint – már megindult a régi „földelési utasítást” felváltó, az EU előírásait is maradéktalanul kielégítő, új földelési utasítás elkészítésére vonatkozó tevékenység. Ennek mielőbbi megjelentetését mindenképpen célszerű szorgalmazni, mert a kellő ismerettel és gyakorlattal talán nem minden esetben rendelkező „külső kivitelezők” néhány esetben – a szakmát szakavatottan művelő és már „gyérebb hajzattal” rendelkező kollégák számára is – „hajmeresztő” megoldásokat szeretnének alkalmazni.
8 Irodalomjegyzék
[1] Csoma András: Nagyvasúti villamos vontatás felsővezetéki berendezései I. (2017 Vasúti Erősáramú Alapítvány)
[2] Csoma András: Megnövekvő vasúti szállítási igények és a nagyteljesítményű mozdonyok megjelenésének hatásai a MÁV nagyvasúti villamos vontatási rendszerére (2) (Vezetékek Világa 2012/3)
[3] MSZ EN 50119:2010: Vasúti alkalmazások. Telepített berendezések. Villamos vontatási felsővezeték
[4] MSZ EN 50122-1:2011: Vasúti alkalmazások. Telepített berendezések. Villamos biztonság, földelés és védőösszekötés. 1. rész: Áramütés elleni védőintézkedések
[5] Dr. Varjú György –Dr. Ladányi József: Villamos méretezés. A felsővezetéki rendszerek impedanciája, árameloszlása, földárama és védőtényezője (Nagyvasúti Villamos Felsővezeték-rendszer „Az egyfázisú, 25 kV feszültségű, 50 Hz frekvenciájú, maximálisan 160 km/h sebességgel járható felsővezeték-rendszer ismertetése, méretezésének alapszámításai” II. kötet MÁV Zrt. 2016)
Csoma Sándor
A cikk a Vasúti VezetékVilág 2017/4-es számában jelent meg.
