طرق توصيل الأرض المحايدة لأنظمة الطاقة للسكك الحديدية ذات السرعة التقليدية

تعتبر أنظمة الطاقة للسكك الحديدية بشكل أساسي من خطوط الإشارة التلقائية، وخطوط تغذية الكهرباء العابرة، ومعامل ومراكز توزيع الطاقة للسكك الحديدية، وخطوط تزويد الطاقة الداخلة. وهي توفر الطاقة لعمليات السكك الحديدية الحرجة بما في ذلك الإشارات والاتصالات وأنظمة القطارات وأنظمة التعامل مع الركاب في المحطات ومرافق الصيانة. كجزء لا يتجزأ من الشبكة الوطنية للكهرباء، تتميز أنظمة طاقة السكك الحديدية بخصائص مميزة لكل من الهندسة الكهربائية وهندسة البنية التحتية للسكك الحديدية.

تعزيز البحث في طرق توصيل الأرض المحايدة لأنظمة طاقة السكك الحديدية ذات السرعة التقليدية، واعتبار هذه الطرق بشكل شامل خلال التصميم والبناء والتشغيل، له أهمية كبيرة لتعزيز سلامة وتوفير الطاقة في تزويد الطاقة للسكك الحديدية.

1. نظرة عامة على طرق توصيل الأرض المحايدة في أنظمة طاقة السكك الحديدية

عادة ما يشير توصيل الأرض المحايدة في أنظمة طاقة السكك الحديدية إلى تكوين التوصيل بالأرض للمحولات - وهو نوع من التوصيل الوظيفي (العمل) المرتبط ارتباطًا وثيقًا بمستوى الجهد، وتيار القصر الفردي للأرض، ومستويات زيادة الجهد، وخطط الحماية بالتراب. إنه موضوع تقني معقد يمكن تصنيفه بشكل عام إلى:

• أنظمة غير متصلة بالأرض بشكل صلب: بما في ذلك الأنظمة غير المتصلة بالأرض، والأرض المتصلة بواسطة ملف بيترسن (الملف القمعي)، والأرض المتصلة بمقاومة عالية؛

• أنظمة متصلة بالأرض بشكل صلب: بما في ذلك التوصيل المباشر والتوصيل بمقاومة منخفضة.

تستخدم الطاقة الموردة من الشبكة الوطنية للسكك الحديدية بشكل عام تكوينًا غير متصل بالأرض. يتم عادةً استخراج دوائر التغذية من محطات التحويل والتوزيع للسكك الحديدية مباشرة من الحافلة الثانوية (الموجودة بعد حافلة الطاقة الداخلة ولكن قبل مُعدِّل الجهد)، وبالتالي فإنها تستخدم أيضًا نظامًا غير متصل بالأرض. بالنسبة لخطوط التغذية العابرة، يمكن اختيار طريقة توصيل الأرض لمُعدِّل الجهد بناءً على الاحتياجات الفعلية.

على عكس أنظمة طاقة السكك الحديدية ذات السرعة العالية التي تستخدم عادةً توصيل الأرض بمقاومة منخفضة، تعتمد أنظمة السكك الحديدية ذات السرعة التقليدية بشكل أساسي على التكوينات غير المتصلة بالأرض. بينما تقدم هذه الطريقة بعض المزايا، فإن معايير السلامة المتزايدة والتحديثات التقنية المستمرة تتطلب إعادة تقييم استراتيجيات التوصيل بالأرض في سياق التشغيل الحالي.

2. مزايا وقيود الأنظمة غير المتصلة بالأرض

وفقًا لأحكام "مدونة تصميم الطاقة للسكك الحديدية" (TB 10008–2015)، يجب تحديد تكوين خطوط التغذية العابرة بناءً على موثوقية التزويد بالطاقة وظروف المشروع، باستخدام إما خطوط هجينة من الأسلاك الهوائية والسفلية أو خطوط الكابلات تحت الأرض بالكامل.

بسبب القيود المالية والقابلية للتنفيذ تقنيًا، تعتمد معظم خطوط التغذية العابرة للسكك الحديدية التقليدية الحالية بشكل أساسي على الأسلاك الهوائية أو التكوينات الهجينة الهيمنة عليها. لذلك، تكون أنظمتها للتوصيل بالأرض عادةً أنظمة غير متصلة بالأرض (معزولة) أو أنظمة توصيل بالأرض بتيار صغير. وفقًا للمادة 69 من "قواعد إدارة الطاقة للسكك الحديدية"، يجب التعامل مع أعطال القصر الفردي للأرض في مثل هذه الأنظمة فورًا، مع أن وقت السماح بأعطال العمل عادةً لا يتجاوز ساعتين.

سجلت البيانات التشغيلية لقطعة معينة من قطاع السكك الحديدية بين يناير وأكتوبر 2023، 152 انقطاعًا للطاقة، منها 15 كان بسبب أعطال في المعدات (2 بسبب المسؤولية الداخلية، 13 بسبب العوامل الخارجية). بشكل لافت، تعتبر المخاطر البيئية - خاصة التسلق النباتي - التهديد الرئيسي لاستقرار الأسلاك الهوائية. في حالة واحدة، غزت أغصان الأشجار منطقة المسافة، مما أدى إلى اتصال جزئي بين مرحلة جانبية والأرض. تم تحديد العطل وإصلاحه داخل النافذة الزمنية البالغة ساعتين، مما منع أي تأثير على عمليات القطارات وتجنب الفشل المتتابع. هذا يظهر أن الأنظمة غير المتصلة بالأرض تقدم مزايا عملية تحت الظروف التقنية الحالية.

ومع ذلك، تواجه خطوط الكابلات تحديات مختلفة. مقارنة بالأسلاك الهوائية، تحتفظ الكابلات بهامش عزل أقل وتحمل أقل لزيادة الجهد. أثناء عطل القصر الفردي للأرض في النظام غير المتصل بالأرض، ترتفع جهود المراحل الصحية فوق مستويات الجهود المعتادة بين المرحلة والأرض - وقد تصل إلى جهد بين الخطين - مما يزيد من خطر الانهيار العازل متعدد النقاط في المراحل غير المعطلة. بالإضافة إلى ذلك، تكون تيارات القصر الفردي للأرض في أنظمة الكابلات كبيرة نسبيًا، مما يؤدي إلى تدهور سريع في العزل عند نقطة العطل واحتمالية عالية لتطوره إلى قصر بين الخطين.

نظرًا لأن الكابلات غالبًا ما يتم تركيبها عبر طرق الدفن أو الأنابيب أو الأرفف، يكون تحديد موقع العطل صعبًا. مع القيود في تقنيات ربط الكابلات واللوجستيات الإصلاحية ونافذة تشغيل السكك الحديدية، غالبًا ما لا يمكن حل هذه الأعطال بسرعة. في الممارسة العملية، تكون فشل الكابلات غالبًا بسبب انهيار العزل الدائم - حيث لا تستطيع مواد العزل العضوية الاستعادة الذاتية. في النظام غير المتصل بالأرض، عدم وجود قطع فوري يسمح بتيارات العطل طويلة الأمد، مما يتسبب في تلف شديد في العزل ويتوسع في منطقة العطل، وقد يؤدي إلى مشكلات ثانوية مثل إنذارات شاشة الطاقة أو حتى فشل الإشارات "الحمراء" التي تؤثر على خدمات القطارات - أحيانًا تؤدي إلى انقطاعات طويلة ومعايير سلامة أو مخاطر العلاقات العامة كبيرة.

3. اختيار طرق توصيل الأرض المحايدة لأنظمة طاقة السكك الحديدية ذات السرعة التقليدية

اختيار الطريقة المناسبة لتوصيل الأرض المحايدة أمر حاسم لتشغيل طاقة السكك الحديدية بشكل مستقر. يكمن التحدي الأساسي في تحقيق التوازن بين:

• تقليل القطع غير الضرورية الناجمة عن الاضطرابات الخارجية،

• ضمان استمرار تزويد الطاقة للأحمال الحرجة،

• تمكين حماية العطل الفعالة،

• تحكم في انتقال العطل، و

• حفظ التكامل الكهربائي والعازل للمعدات الصحية أثناء الأعطال.

وفقًا لأحكام "مدونة تصميم الطاقة للسكك الحديدية" (TB 10008–2015)، بالنسبة لخطوط التغذية العابرة 10(20) كيلوفولت المزودة عبر معدِّلات الجهد، تنطبق الإرشادات التالية للتوصيل بالأرض:

• إذا كان التيار السعوي للأرضية أحادية الطور ≤ 10 أمبير، يجب استخدام نظام غير مأرض.

• إذا كان التيار ≤ 150 أمبير، يمكن اعتماد إما التأريض ذات المقاومة المنخفضة أو تأريض ملف قمع القوس الكهربائي؛ وإذا كان > 150 أمبير، يُنصح بالتأريض ذات المقاومة المنخفضة.

• يجب أن يستخدم الخطوط المستندة بالكامل إلى الكابلات التأريض ذات المقاومة المنخفضة.

• بالنسبة للتأريض ذات المقاومة المنخفضة، يجب اختيار مقاوم التأريض بحيث يكون التيار الأرضي الأحادي الطور بين 200-400 أمبير، مع فصل فوري عند كشف العطل.

على النقيض، يسمح كود تصميم القطارات ذات السرعة العالية (TB 10621–2014) بأنظمة المحايدة غير المأرضة عندما يكون التيار السعوي للأرضية ≤ 30 أمبير، مع توفير تعويض عبر مفاعل مأرض.

بناءً على الحسابات من الدليل الهندسي القياسي لطاقة السكك الحديدية، يتم تلخيص الأطوال القصوى المسموح بها للأسلاك للمواد الشائعة ذات النواة الألومنيوم (مقاطع 70 مم² و95 مم²) المقابلة للتياج الأرضية السعوية الأحادية الطور 10 أمبير، 30 أمبير، 60 أمبير، 100 أمبير، و150 أمبير في الجدول 1. يمكن لهذه القيم أن توجه اختيار طريقة التأريض المناسبة بناءً على طول الكابل الفعلي.

يتيح التأريض عبر نقطة المحايد إزالة العطل بسرعة. يمكن لحماية التسلسل الصفري أن تعمل خلال 0.2-2.0 ثانية لعزل العطل، مما يقلل من احتمالية حدوث حوادث كهربائية دائمة ثانوية ويعمل على حماية موثوقية العزل وعمر الخدمة للمعدات الكهربائية.

4. مقارنة بين طرق التأريض المحايدة الشائعة

4.1 نظام غير متأرض في النقطة المحايدة

يوفر نظام عدم التأريض في النقطة المحايدة ميزة تزويد الطاقة بشكل مستمر لمدة 1-2 ساعة أثناء عطل الأفاز الواحد في الخطوط التي تهيمن عليها الأسلاك الجوية. ومع ذلك، في الخطوط المهيمن عليها الكابلات، يميل هذا الأسلوب إلى تفاقم العطل.

4.2 التأريض المحايد عبر ملف القمع للقوس الكهربائي

مقارنة بنظام عدم التأريض في النقطة المحايدة، يستخدم هذا الأسلوب التيار الاستقرائي لملف القمع للقوس الكهربائي لتخفيف التيار السعوي، مما يقلل من تيار العطل الأرضي إلى مستوى يمكنه الانطفاء الذاتي، وبالتالي يقلل من زيادة الجهد الناجمة عن القوس. كما أنه يسمح بالعمل المستمر لمدة 1-2 ساعة أثناء عطل الأفاز الواحد ويمنع عطل الأفاز الواحد من التطور إلى عطل بين الأفازات. ومع ذلك، يفرض هذا الأسلوب متطلبات أعلى على حماية العطل الأرضي، ولا يمكنه تحديد الخط المعطوب، وهو عرضة للرنين، ولا يستطيع تفريغ الشحنات المتبقية على الخط بشكل فعال.

4.3 التأريض المحايد عبر مقاومة منخفضة

في الخطوط المهيمن عليها الكابلات، يعمل أسلوب التأريض ذي المقاومة المنخفضة على التحكم الفعال في زيادة الجهد الناجمة عن القوس الأرضي أثناء عطل الأفاز الواحد، ويقمع زيادة الجهد الرنينية في النظام، ويقدم تأثيرات جيدة في تقييد التيار وتقليل الجهد، ويقدم أداءً مرتفعًا نسبيًا لحماية التسلسل الصفري الزائد للتغلب على العطل في الوقت المناسب. ومع ذلك، لهذا الأسلوب قيود، خاصة في الأقسام الجوية: زيادة تردد القطع يؤثر على تشغيل النظام الكهربائي، ويضعف قدرة تزويد الطاقة، ويزيد صعوبة صيانة المعدات إلى حد ما.

5. مناقشة حول طرق التأريض المحايدة لنظم الطاقة الحديدية

(1) تعزيز استخدام أجهزة ملف القمع للقوس الكهربائي ذات التتبع التلقائي. يتمتع هذا الأسلوب بميزة إزالة العطل الأرضية العابرة بشكل آلي في النظام الكهربائي، مما يقلل من عدد عمليات القطع. عند إصدار إشارة إنذار للعطل، يقوم ملف القمع للقوس الكهربائي التلقائي بإنشاء تيار تعويضي متوافق، مما يسمح بإعادة التعويض للخط الكهربائي. وهذا يقلل من حدوث عطل قصر بين الثلاثة أفازات ويضمن استقرار وسلامة النظام. في الوقت نفسه، بما أن جهاز القمع للقوس الكهربائي له قيمة حرجة معينة لإطفاء القوس، فإن تيار العطل الأرضي إذا كان أقل من هذه القيمة الحرجة، يزداد سرعة استعادة الجهد تحت تأثير جهاز القمع للقوس الكهربائي، مما يساعد على إطفاء القوس بشكل موثوق ويقلل من احتمالية إعادة الاشتعال، وبالتالي يقلل من حوادث الطاقة ويدعم تشغيل التأريض المحايد بشكل موثوق.

(2) أثناء تجديد خطوط التغذية المباشرة والترقيم التلقائي التقليدية الحالية، إذا كانت الخطوط الكابلية -بعد استبدال الخطوط الجوية- تمثل نسبة كبيرة، فمن المستحسن النظر في التعويض المركزي أو الموزع باستخدام مفاعلات الصندوق لتعويض الطاقة الاستقرائية تحت ظروف التيار السعوي الطبيعي. وفقًا لنتائج الحسابات في الجدول 2، تكون قيم السعة التشغيلية 0.22 μF/كم للكابل ذو النواة الألومنيوم بقطر 70 مم² و0.24 μF/كم للكابل ذو النواة الألومنيوم بقطر 95 مم². في نفس الوقت، يجب النظر في التعديلات الملائمة لغرف التوزيع، ويجب تعديل طرق التأريض المحايد لمعدلات الجهد في غرف التوزيع على الجانبين بناءً على البيانات المحسوبة.

في الحالات القصوى، إذا كان النظام غير مرتبط بالأرض وتستخدم كابلات ذات نواة واحدة تتوافق مع معايير السكك الحديدية ذات السرعة العالية، فلن يتم إزالة عطل الأرضية الفردية خلال النافذة المسموح بها البالغة ساعتين. وهذا يؤدي إلى أضرار حرارية مستمرة في الكابل. بالإضافة إلى ذلك، بعد تلف كابل ذو نواة واحدة، يكون تأثيره على المراحل المجاورة ضعيفًا نسبيًا، مما يزيد من سوء الوضع بعدم تشغيل الحماية التي يمكن أن تؤدي بسهولة إلى أعطال نظامية.

6. الخاتمة

في أنظمة الطاقة للسكك الحديدية ذات السرعات التقليدية، يؤثر اختيار طريقة ربط الحياد مباشرة على سلامة واستقرار تشغيل النظام. يمكن أن يؤدي اختيار غير مناسب لخطة ربط الحياد بسهولة إلى حدوث أعطال ثانوية وحوادث متسلسلة. من خلال الحساب والتحليل المقارن، فإن اختيار شامل ومنطقي لطريقة ربط الحياد له أهمية كبيرة لإزالة الأعطال بكفاءة، وحماية عزل المعدات، وضمان تزويد الطاقة الجذب بشكل موثوق، وتعزيز سلامة الموظفين والعمليات القطار.