Mètodes de connexió a terra neutra per a sistemes d'energia ferroviària de velocitat convencional

Els sistemes d'energia ferroviària es componen principalment de línies de senyalització automàtica, línies d'alimentació, subestacions i estacions de distribució ferroviàries, i línies d'abastament d'energia. Proporcionen electricitat a les operacions ferroviàries crítiques, incloent la senyalització, les comunicacions, els sistemes de vehicles, el tractament dels passatgers a les estacions i les instal·lacions de manteniment. Com a part integrant de la xarxa elèctrica nacional, els sistemes d'energia ferroviària presenten característiques distintives tant de l'enginyeria elèctrica com de la infraestructura ferroviària.

Intensificar la recerca sobre els mètodes de pujol neutre per als sistemes d'energia ferroviària de velocitat convencional, i considerar-los de manera integral durant el disseny, la construcció i l'operació, és molt significatiu per millorar la seguretat i la fiabilitat de l'abastament d'energia ferroviària.

1. Visió general dels mètodes de pujol neutre en els sistemes d'energia ferroviària

El mètode de pujol neutre en els sistemes d'energia ferroviària normalment es refereix a la configuració de pujol dels transformadors, un tipus de pujol funcional (de treball) estretament vinculat al nivell de tensió, la corrent de terra en cas de falla monofàsica, els nivells de sobretensió i els esquemes de protecció relè. És una qüestió tècnica complexa que es pot classificar ampliament en:

• Sistemes no solidament poguts a terra: incloent sistemes sense pujol, amb bobina de supressió d'arc (bobina de Petersen) poguda a terra, i sistemes poguts a terra amb alta resistència;

• Sistemes solidament poguts a terra: incloent pujol directe i pujol amb baixa resistència.

L'energia provista per la xarxa elèctrica nacional a les vies fèrrees adopta universalment una configuració de neutre sense pujol. Les línies d'alimentació des de les subestacions i les estacions de distribució ferroviàries s'extrauen normalment directament de la barra secundària (ubicada després de la barra d'entrada d'energia però abans del regulador de tensió), i també utilitzen un sistema de neutre sense pujol. Per a les línies d'alimentació, el mètode de pujol del transformador regulador de tensió es pot seleccionar basant-se en les necessitats reals.

Diferent dels sistemes d'energia ferroviària de alta velocitat, que sovint utilitzen pujols a terra amb baixa resistència, els sistemes ferroviaris de velocitat convencional predominen en la configuració de neutre sense pujol. Si bé aquest enfocament ofereix certes avantatges, els estàndards de seguretat evolutius i les actualitzacions tècniques contínues justifiquen la reavaluació de les estratègies de pujol en el context operatiu actual.

2. Avantatges i limitacions dels sistemes de neutre sense pujol

Segons el Codi de Disseny d'Energia Ferroviària (TB 10008–2015), la configuració de les línies d'alimentació ha de determinar-se basant-se en la fiabilitat de l'abastament d'energia i les condicions específiques del projecte, utilitzant línies híbrides de cable aèri o línies de cable totalment soterrades.

Degut a les restriccions presupostàries i la viabilitat tècnica, la majoria de les línies d'alimentació ferroviàries de velocitat convencional en funcionament actualment depenen principalment de conductors aèris o configuracions híbrides dominades per aquests. Conseqüentment, els seus esquemes de pujol neutre solen adoptar sistemes de neutre aïllat (sense pujol) o de pujol amb corrent petita. Segons l'article 69 de les Normes de Gestió d'Energia Ferroviària, les fallas monofàsiques en aquests sistemes han de resoldre's prontament, amb un temps permès de funcionament en falla que generalment no supera les 2 hores.

Les dades operatives d'un segment específic de la direcció d'una via fèrrea entre gener i octubre de 2023 van registrar 152 interrupcions d'energia, de les quals 15 eren fallades relacionades amb l'equipament (2 atribuïbles a responsabilitat interna, 13 a factors externs). Notablement, els perills ambientals, especialment la invasió de vegetació, representen la principal amenaça a l'estabilitat de les línies aèries. En un incident, branques d'arbres van intrudir a la zona de clearance, causant una connexió parcial fase-a-terra en un conductor lateral. La falla va ser identificada i resolta dins la finestra de 2 hores, evitant qualsevol impacte en les operacions dels trens i prevenint fallades en cadena. Això demostra que, sota les condicions tècniques existents, els sistemes de neutre sense pujol oferixen beneficis pràctics.

No obstant això, les línies de cable presenten desafiaments diferents. Comparat amb les línies aèries, els cables d'energia tenen marges d'aïllament menors i tolerància limitada a la sobretensió. Durant una falla monofàsica en un sistema sense pujol, les tensions de les fases sanes augmenten per sobre del nivell normal fase-a-terra—potencialment arribant a la tensió fase-a-fase—incrementant el risc de ruptura múltiple de l'aïllament en les fases no defectuoses. A més, les corrents de falla capacitives en els sistemes de cable són relativament grans, provocant una degradació ràpida de l'aïllament al punt de falla i una alta probabilitat d'evolucionar cap a curts circuits fase-a-fase.

Com que els cables solen instal·lar-se mitjançant mètodes enterrat, conduits o bandejes, la localització de falla és difícil. Juntament amb les limitacions en les tècniques de junta de cables, la logística de reparació i les finestres operatives de la via fèrrea, aquestes fallades sovint no es poden resoldre ràpidament. En la pràctica, les fallades de cables són predominantment degudes a la ruptura permanent de l'aïllament—els materials d'aïllament orgànics no es poden auto-reparar. En un sistema sense pujol, la falta de disparo immediat permet corrents de falla prolongades, causant danys severos a l'aïllament, expandint la zona de falla i potencialment desencadenant problemes secundaris com alarmes de pantalla d'energia o fins i tot fallades de senyal "banda vermella" que interrompen el servei dels trens—algunes vegades resultant en apagades prolongades i riscos significatius de seguretat o relacions públiques.

3. Selecció dels mètodes de pujol neutre per als sistemes d'energia ferroviària de velocitat convencional

La selecció del mètode de pujol neutre adequat és crítica per a l'operació estable de l'energia ferroviària. El desafiam principal resideix en equilibrar:

• Minimitzar el disparig inecessari causat per pertorbacions externes,

• Assegurar l'abastament d'energia ininterromput a les càrregues crítiques,

• Habilitar la protecció efectiva de les fallades,

• Controlar la propagació de les fallades, i

• Mantenir la integritat elèctrica i d'aïllament de l'equipament sa en casos de falla.

Segons el Codi de Disseny d'Energia Ferroviària (TB 10008–2015), per a les línies d'alimentació de 10(20) kV alimentades a través de reguladors de tensió, s'apliquen les següents guies de pujol:

• Si la corrent de terra d'una fase ≤ 10 A, s'ha d'utilitzar un sistema sense terra.

• Si la corrent ≤ 150 A, es pot adoptar una connexió a terra de baixa resistència o una connexió a terra amb bobina de supressió d'arc; si > 150 A, es recomana la connexió a terra de baixa resistència.

• Les línies totalment en cablat han de preferir la connexió a terra de baixa resistència.

• Per a la connexió a terra de baixa resistència, el resistor de terra s'ha de seleccionar per produir una corrent de terra d'una fase de 200-400 A, amb desconnectament instantani en detectar la falla.

En contrast, el Codi de Disseny de les Vies de Ferrocarril de Alta Velocitat (TB 10621–2014) permet sistemes amb neutre sense terra quan la corrent de capacitat de terra ≤ 30 A, amb compensació proporcionada mitjançant un reactor connectat al neutre i a terra.

Basant-se en càlculs de manuels estàndard d'enginyeria elèctrica ferroviària, les longituds màximes permeses per a cables d'alumini comuns (seccions transversals de 70 mm² i 95 mm²) corresponents a corrents de terra d'una fase de 10 A, 30 A, 60 A, 100 A i 150 A es resumen a la Taula 1. Aquests valors poden guiar la selecció del mètode de terra apropiat basant-se en la longitud real del cable.

La connexió a terra a través del punt neutre permet la rapida eliminació de les faults. La protecció de seqüència zero pot funcionar en 0,2–2,0 segons per aïllar la fault, reduint la probabilitat d'incidents elèctrics secundaris permanents i protegint la fiabilitat i la vida útil de l'aïllament dels equips elèctrics.

4. Comparació de mètodes comuns de connexió a terra del neutre

4.1 Sistema amb neutre sense connectar a terra

El mètode de neutre sense connectar a terra ofereix l'avantatge d'un subministrament continu d'energia durant 1-2 hores en faults de terra unifàsiques en línies dominades per conductors aèris. Tanmateix, en línies dominades per cables, aquest mètode tendeix a causar l'escalada de faults.

4.2 Connexió a terra del neutre mitjançant bobina de supressió d'arc

En comparació amb el sistema de neutre sense connectar a terra, aquest mètode utilitza la corrent inductiva de la bobina de supressió d'arc per compensar la corrent capacitiva, reduint la corrent de fault a terra a un nivell que es pot autoextingir, minimitzant així les sobretensions induïdes per arcs. També permet 1-2 hores de funcionament continu en faults de terra unifàsiques i evita que les faults unifàsiques es desenvinguin en faults entre fases. No obstant això, aquest mètode imposa requisits més elevats en la protecció de faults a terra, no pot identificar la línia defectuosa, és propensa a la resonància i no pot descarregar eficientment les càrregues residuals en la línia.

4.3 Connexió a terra del neutre mitjançant baixa resistència

En línies dominades per cables, el mètode de connexió a terra mitjançant baixa resistència controla efectivament les sobretensions d'arc a terra en faults unifàsiques, suprimeix les sobretensions ressonants del sistema, proporciona bons efectes limitadors de corrent i reductors de tensió, i ofereix un rendiment relativament alt en la protecció de sobrecorrent de seqüència zero, facilitant l'eliminació oportuna de faults. No obstant això, aquest mètode té limitacions, especialment en seccions de línies aèries: l'increment de la freqüència de saltadors afecta l'operació del sistema d'energia, debilita la capacitat de subministrament d'energia i augmenta la dificultat de manteniment de l'equipament en certa mesura.

5. Discussió sobre mètodes de connexió a terra del neutre en sistemes d'energia ferroviària

(1) Millorar l'ús de dispositius de bobina de supressió d'arc amb seguiment automàtic. Aquesta aproximació té l'avantatge d'eliminar automàticament les faults de terra transitories en el sistema d'energia, reduint així el nombre de saltadors. Quan es genera un senyal d'alarma de fault, la bobina de supressió d'arc amb seguiment automàtic genera una corrent compensadora corresponent, permetent la recompensació de la línia d'energia. Això redueix l'ocurrència de faults de curt circuit entre les tres fases i assegura la estabilitat i seguretat del sistema. Alhora, ja que el dispositiu de supressió d'arc té un valor crític específic d'extinció d'arc, si la corrent de fault a terra és menor que aquest valor crític, la velocitat de recuperació de la tensió augmenta sota l'acció del dispositiu de supressió d'arc, ajudant a extingir l'arc de manera fiable i reduint la possibilitat de reencès d'arc, disminuint així els incidents d'energia i suportant eficientment l'operació de connexió a terra neutral fiable.

(2) Durant la renovació de les línies existents de alimentació directa convencional i de bloqueig automàtic, si les línies de cable—després de substituir les línies aèries—representen una proporció significativa, es recomana considerar la compensació centralitzada o distribuïda utilitzant reactances en caixa per compensar la reactivitat inductiva en condicions normals de corrent capacitiva. Segons els resultats de càlcul de la Taula 2, els valors de capacitance operativa són 0,22 μF/km per a cablages d'alumini de 70 mm² i 0,24 μF/km per a cablages d'alumini de 95 mm². Alhora, s'ha de considerar modificacions d'adaptabilitat als sales de distribució, i s'han d'ajustar els mètodes de connexió a terra dels reguladors de tensió en els sales de distribució dels dos costats basant-se en dades calculades.

En casos extrems, si el sistema no està aterrada i s'utilitzen cables unipolars que compleixen amb els estàndards de ferrocarrils d'alta velocitat, una falla a terra en una fase no es resoldrà dins la finestra permesa de 2 hores. Això provoca danys tèrmics contínus al cable. A més, després que un cable unipolar estigui deteriorat, el seu impacte en les fases adjacents és relativament feble, agravant encara més la situació per no activar el salt dels protegits, el que pot conduir fàcilment a fallades sistèmiques.

6. Conclusió

En els sistemes d'energia dels ferrocarrils de velocitat convencional, la selecció del mètode d'aterrament neutre afecta directament la seguretat i l'estabilitat de l'operació del sistema. Una elecció inapropiada del esquema d'aterrament neutre pot resultar fàcilment en fallades secundàries i incidents en cadena. A través del càlcul i l'anàlisi comparativa, una selecció integral i racionable del mètode d'aterrament neutre té una gran importància per a la resolució eficaç de les fallades, la protecció de l'aïllament dels equips, l'assegurança d'un subministrament de potència de tracció fiable i l'increment de la seguretat tant de les persones com de l'operació del tren.