Nulforbindelsesmetoder for konventionelle jernbane strømsystemer

Jernbane strømsystemer består hovedsageligt af automatiske blokeringslinjer, gennemførselsstrømledninger, jernbanestations- og distributionsstationer samt indkomne strømforsyrelseslinjer. De leverer strøm til kritiske jernbaneoperationer, herunder signalering, kommunikation, rullende materiel, passagerbehandling på stationer og vedligeholdelsesfaciliteter. Som en integreret del af det nationale strømnetværk viser jernbane strømsystemer distinkte karakteristika både af elektrisk strømteknologi og jernbaneinfrastruktur.

At styrke forskning i neutral jordforbindelsemetoder for konventionelle hastigheds jernbane strømsystemer - og at tage disse metoder i betragtning under design, konstruktion og drift - er af stor betydning for at forbedre sikkerheden og pålideligheden af jernbane strømforsyrelsen.

1. Oversigt over metoder for neutral jordforbindelse i jernbane strømsystemer

Metoden for neutral jordforbindelse i jernbane strømsystemer refererer typisk til jordforbindelseskonfigurationen af transformatorer - en form for funktionel (arbejds) jordforbindelse, der er tæt forbundet med spændingsniveau, enfas jordfejlstrøm, overspændingsniveauer og relæbeskyttelsessystemer. Det er et komplekst teknisk problem, der kan inddeles bredt i:

• Ikke-stabile jordforbindelser: inklusive ujordede, bueudslukningsbobin (Petersen bobin) jordede og høj-resistans jordede systemer;

• Stabile jordforbindelser: inklusive direkte jordede og lav-resistans jordede systemer.

Strøm leveret fra det nationale netværk til jernbanerne anvender generelt en ujordet neutral konfiguration. Føderlinjer fra jernbanestations- og distributionsstationer er typisk tappet direkte fra sekundær busbar (beliggende efter indkomne strømbus, men før spændingsregulator), og anvender derfor også et ujordet neutralsystem. For gennemførselslinjer kan jordforbindelsesmetoden for spændingsregulerende transformatorer vælges baseret på faktiske behov.

I modsætning til højhastigheds jernbane strømsystemer, som ofte anvender lav-resistans jordforbindelse, anvender konventionelle hastigheds jernbanesystemer hovedsageligt ujordet neutral konfiguration. Selvom denne tilgang har visse fordele, kræver den udviklede sikkerhedstandard og løbende tekniske opgraderinger en genovervejelse af jordforbindelsesstrategier i dagens driftscontext.

2. Fordele og begrænsninger af ujordede neutralsystemer

Ifølge Jernbane Strøm Designkodeks (TB 10008–2015) skal konfigurationen af gennemførselslinjer fastsættes baseret på strømforsyrelsens pålidelighed og projektspecifikke forhold, ved hjælp enten af overlednings-kabelhybridlinjer eller fuldt underjordiske kabellinjer.

På grund af budgetbegrænsninger og teknisk gennemførlighed, afhænger de fleste operativ konventionelle hastigheds jernbane gennemførselslinjer i øjeblikket primært af overledningsledere eller overledningsdominerede hybridkonfigurationer. Deres neutrale jordforbindelseskonfigurationer anvender typisk isolerede-neutral (ujordede) eller småstrøm jordforbindelser. Ifølge artikel 69 i Jernbane Strøm Management Regler, skal enfas jordfejl i sådanne systemer behandles hurtigt, med tilladte fejl driftstider generelt ikke overstigende 2 timer.

Driftsdata fra et specifikt jernbane bureau segment mellem januar og oktober 2023 registrerede 152 strømafbrydelser, hvoraf 15 var udstyrrelaterede fejl (2 tilskrevet internt ansvar, 13 til eksterne faktorer). Bemærkelsesværdigt er, at miljøfarer - især vegetationsovertrædelse - udgør den primære trussel mod overledningslinjestabilitet. I et tilfælde intruded trægrenene i frihedszonen, hvilket forårsagede en delvis fas-til-jord forbindelse på en sideleder. Fejlen blev identificeret og løst inden for 2-timers vindue, hvilket undgik enhver indvirkning på togdrift og undgik kaskade fejl. Dette demonstrerer, at ujordede neutralsystemer under eksisterende tekniske forhold tilbyder praktiske fordele.

Dog præsenterer kabellinjer forskellige udfordringer. I forhold til overledningslinjer har strømkabler lavere isolationsmarginer og begrænset overspændingstolerance. Under en enfas jordfejl i et ujordet system, stiger sund fase-spændinger over normale fase-til-jord niveauer - potentielt når linje-til-linje spænding - hvilket øger risikoen for flerpunkt isoleringsnedbrydning i ikke-fejl faser. Desuden er kapacitive jordfejlstrømme i kablersystemer relativt store, hvilket fører til hurtig isoleringsdegradering ved fejpunktet og en høj sandsynlighed for at udvikle sig til fase-til-fase kortslutninger.

Da kabler typisk installeres via begravet, lednings- eller bakke-metoder, er fejllokalisering svær. Sammen med begrænsninger i kabelføjningsteknikker, reparationlogistik og jernbane driftsvinduer, kan sådanne fejl ofte ikke løses hurtigt. I praksis er kabelfejl hovedsageligt på grund af permanent isoleringsnedbrydning - organiske isoleringsmaterialer kan ikke selvhele. I et ujordet system, tillader mangel på øjeblikkelig afbrydelse forlængede fejlstrømme, hvilket forårsager alvorlig isoleringsnedbrydning, udvider fejlzonen og potentielt udløser sekundære problemer som strøm skærmalarme eller endda "rød-bånd" signal fejl, der forstyrrer togdrift - nogle gange resulterer i lange nedbrud og betydelige sikkerhedsmæssige eller offentlige relationsrisici.

3. Vælgning af metoder for neutral jordforbindelse for konventionelle hastigheds jernbane strømsystemer

Vælgning af den passende metode for neutral jordforbindelse er afgørende for stabil jernbane strøm drift. Den kerneudefordring ligger i at balancere:

• Minimering af unødvendige afbrydelser forårsaget af eksterne forstyrrelser,

• Sikring af uafbrudt strøm til kritiske belastninger,

• Muliggørelse af effektiv fejlbeskyttelse,

• Kontrol af fejlpropagation, og

• Opretholdelse af elektrisk og isoleringsintegritet af sundt udstyr under fejl.

Ifølge Jernbane Strøm Designkodeks (TB 10008–2015), gælder følgende jordforbindelsesretningslinjer for 10(20) kV gennemførselslinjer, der leveres via spændingsregulatoren:

• Hvis den enefasede jordfejlkapacitive strøm ≤ 10 A, skal et ujordet system anvendes.

• Hvis strømmen ≤ 150 A, kan enten lavt impedans jordforbindelse eller bueundertrykkelseskreds jordforbindelse anvendes; hvis > 150 A, anbefales lavt impedans jordforbindelse.

• Kabelbaserede linjer bør foretrække lavt impedans jordforbindelse.

• Ved lavt impedans jordforbindelse skal jordmodstanden vælges således, at den enefasede jordstrøm er 200–400 A, med øjeblikkelig udslukning ved fejl registrering.

I modsætning hertil tillader Designkode for højhastighedstog (TB 10621–2014) ujordede neutrale systemer, når jordfejlkapacitive strøm ≤ 30 A, med kompensation gennem en neutralt-jordet reaktor.

Baseret på beregninger fra standard håndbøger i jernbane-energi, er de maksimale tilladte kablelængder for almindelige aluminiumskernede kabler (70 mm² og 95 mm² tværsnit) svarende til enefasede jordfejlkapacitive strømme på 10 A, 30 A, 60 A, 100 A og 150 A summeret i Tabel 1. Disse værdier kan vejlede valget af passende jordemetode baseret på den faktiske kablelængde.

Jordforbindelse gennem den neutrale punkt gør det muligt at hurtigt rydde fejl. Nul-sekvens beskyttelse kan fungere inden for 0,2–2,0 sekunder for at isolere fejlen, hvilket reducerer sandsynligheden for sekundære permanente elektriske hændelser og beskytter isolationens pålidelighed og levetid af strømudstyr.

4. Sammenligning af almindelige metoder til jordforbindelse af neutral

4.1 Ujordet neutralsystem

Metoden med ujordet neutral giver fordelene ved fortsat strømforsyning i 1-2 timer under enefase jordfejl i ledninger, der er domineret af overføringsledninger. Dog kan denne metode i kabeldominerede ledninger føre til fejlforværring.

4.2 Neutral jordforbindelse via bueaftrykkelsespule

I sammenligning med systemet med ujordet neutral bruger denne metode induktive strøm fra bueaftrykkelsespulen til at kompensere kapacitiv strøm, hvilket reducerer jordfejlstrømmen til et niveau, hvor den kan slukke selv, og derved minimere buerelaterede overspændinger. Denne metode tillader også 1-2 timers fortsat drift under enefase jordfejl og forhindrer, at enefasefejl udvikler sig til fasespændingsfejl. Imidlertid stiller denne metode højere krav til jordfejlbeskyttelse, kan ikke identificere den defekte linje, er anfällig for resonans og kan ikke effektivt aflevere restladning på linjen.

4.3 Neutral jordforbindelse via lavt motstand

I kabeldominerede ledninger kontrollerer metoden med lav motstand effektivt boe-jordovervoltage under enefase jordfejl, dæmper systemets resonanseovervoltage, giver gode strømbegrænsende og spændingsreducerende effekter og har relativt høj nul-sekvens overstrømmebeskyttelsespræstation, hvilket gør det muligt at eliminere fejl til tiden. Imidlertid har denne metode begrænsninger, især i overføringsledningssektioner: øget trippenhed påvirker strømsystemets drift, svækker strømforsyningen og øger vedligeholdelsesvanskeligheder i noget omfang.

5. Diskussion af metoder til jordforbindelse af neutral for jernbane-strømsystemer

(1) Forbedr anvendelsen af automatiske sporingsbueaftrykkelsespulenanlæg. Denne metode har fordelene ved automatisk at eliminere transiente jordfejl i strømsystemet, hvilket reducerer antallet af tripninger. Når en fejalarm udsendes, genererer den automatiske sporingsbueaftrykkelsespule en tilsvarende kompenserende strøm, hvilket gør det muligt at rekompensere strømlinjen. Dette reducerer forekomsten af kortslutningsfejl mellem tre faser og sikrer systemets stabilitet og sikkerhed. Samtidig har bueaftrykkelsesanlægget en specifik bueslukningskritisk værdi, og hvis jordfejlstrømmen er mindre end denne kritiske værdi, øges hastigheden af spændingsgenoprettelse under bueaftrykkelsesanlæggets virkning, hvilket hjælper med at slukke bue pålideligt og reducere sandsynligheden for genoplysningsbuer, hvilket reducerer strømhændelser og effektivt understøtter pålidelig neutral jordforbindelse.

(2) Under omlægning af eksisterende konventionelle gennemførselsledninger og automatiske blokeringslinjer, hvis kablede ledninger - efter erstatning af overføringsledninger - udgør en betydelig andel, anbefales det at overveje centraliseret eller distribueret kompensation ved hjælp af boksreaktorer for at kompensere for induktiv reaktiv effekt under normale kapacitive strømforhold. Ifølge beregningsresultaterne i Tabel 2 er driftscapacitanceværdierne 0,22 μF/km for 70 mm² aluminiumskabel og 0,24 μF/km for 95 mm² aluminiumskabel. Samtidig bør der tages højde for tilpasninger af distributionsrum, og neutral jordforbindelsesmetoder for spændingsregulatoren i distributionsrum på begge sider bør tilpasses baseret på beregnede data.

I ekstreme tilfælde, hvis systemet er uforjættet og enkeltledede kabler – i overensstemmelse med højhastighedstogstandarder – bliver brugt, vil en enefase jordfejl ikke blive ryddet inden for den tilladte 2-timersperiode. Dette forårsager en vedvarende termisk skade på kablet. Desuden har skaden på en enkeltledet kabelførrelse en relativt svag indvirkning på nabofaserne, hvilket yderligere forværres ved at ikke udløse beskyttende afbrydelse, hvilket let kan føre til systemiske fejl.

6. Konklusion

I konventionelle togstrømsystemer påvirker valget af neutral jordmetode direkte sikkerheden og stabiliteten af systemets drift. Et upassende valg af neutral jordmetode kan let føre til sekundære fejl og kaskaderende hændelser. Gennem beregninger og sammenlignende analyse er et omfattende og rationelt valg af neutral jordmetode af stor betydning for effektivt at rydde fejl, beskytte udstyrisolering, sikre en pålidelig traktringsstrømforsyning og forbedre både personalesikkerhed og togdriftssikkerhed.