Neutralleitungsverfahren für konventionelle Eisenbahnstromversorgungssysteme

Eisenbahnstromsysteme bestehen hauptsächlich aus automatischen Blocksignal-Leitungen, Durchfütterungsstromleitungen, Eisenbahn-Umspannwerken und Verteilstationen sowie Eingangsstromleitungen. Sie liefern Strom für kritische Eisenbahnbetriebsvorgänge, einschließlich Signalisierung, Kommunikation, Wagenzugsysteme, Bahnhofs-Passagierabwicklung und Wartungseinrichtungen. Als integraler Bestandteil des nationalen Stromnetzes weisen Eisenbahnstromsysteme eindeutige Charakteristika sowohl der Elektrotechnik als auch der Eisenbahninfrastruktur auf.

Die Stärkung der Forschung zu Neutralpunkt-Erdenmethoden in Konventionellen-Geschwindigkeits-Eisenbahnstromsystemen und die umfassende Berücksichtigung dieser Methoden während Planung, Bau und Betrieb ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der Sicherheit und Zuverlässigkeit der Eisenbahnstromversorgung.

1. Übersicht über Neutralpunkt-Erdenmethoden in Eisenbahnstromsystemen

Die Neutralpunkt-Erdenmethode in Eisenbahnstromsystemen bezieht sich typischerweise auf die Erdschaltung von Transformatoren – eine Form der funktionalen (wirkenden) Erdung, die eng mit Spannungsniveau, Einphasen-Erdfehlerstrom, Überspannungsstufen und Relais-Schutzkonzepten verbunden ist. Es handelt sich dabei um ein komplexes technisches Problem, das in folgende Kategorien unterteilt werden kann:

• Nicht-fest erdete Systeme: einschließlich nicht erdeter, Bögen-Auslöschungsspule (Petersen-Spule) erdeter und hochohmiger erdeter Systeme;

• Fest erdete Systeme: einschließlich direkter Erdung und niedrigohmiger Erdung.

Die Stromversorgung der Eisenbahnen vom nationalen Netzwerk verwendet durchgängig eine nicht erdete Neutralpunktkonfiguration. Die Speiselinien von Eisenbahn-Umspannwerken und Verteilstationen werden typischerweise direkt von der Sekundärbusbar (befindet sich nach dem Eingangsspannungsbus, aber vor dem Spannungsregler) abgezweigt, wodurch ebenfalls ein nicht erdetes Neutralpunktsystem verwendet wird. Für Durchfütterungsleitungen kann die Erdungsmethode des Spannungsregeltransformators je nach tatsächlichen Bedürfnissen ausgewählt werden.

Im Gegensatz zu Hochgeschwindigkeits-Eisenbahnstromsystemen, die häufig niedrigohmige Erdung verwenden, setzen konventionelle Geschwindigkeits-Eisenbahnsysteme hauptsächlich nicht erdete Neutralpunktkonfigurationen ein. Obwohl dieser Ansatz bestimmte Vorteile bietet, erfordern sich entwickelnde Sicherheitsstandards und anhaltende technische Modernisierungen eine Neubewertung der Erdstrategien im heutigen Betriebskontext.

2. Vorteile und Grenzen nicht erdeter Neutralpunktsysteme

Laut dem Eisenbahnstrom-Design-Code (TB 10008–2015) sollte die Konfiguration von Durchfütterungsleitungen basierend auf der Versorgungsreliabilität und projektspezifischen Bedingungen, entweder als Luft-Kabel-Hybridleitungen oder vollständig unterirdische Kabelleitungen, festgelegt werden.

Aufgrund von Budgetbeschränkungen und technischer Machbarkeit verlassen sich die meisten betriebenen konventionellen Geschwindigkeits-Durchfütterungsleitungen derzeit hauptsächlich auf Freileitungsleiter oder freileitungsdominante Hybriden. Folglich nehmen ihre Neutralpunkt-Erdsysteme typischerweise isolierte Neutralpunkte (nicht erdet) oder Kleinststrom-Erdsysteme an. Gemäß Artikel 69 der Eisenbahnstrom-Verwaltungsregeln müssen Einphasen-Erdfehler in solchen Systemen unverzüglich behoben werden, wobei die zulässige Fehlerruntime in der Regel nicht länger als 2 Stunden beträgt.

Betriebsdaten eines spezifischen Eisenbahnbereichsabschnitts zwischen Januar und Oktober 2023 zeigten 152 Stromausfälle, von denen 15 auf Gerätefehler zurückzuführen waren (2 auf interne Verantwortlichkeit, 13 auf externe Faktoren). Insbesondere stellen Umweltgefahren, insbesondere Vegetationsüberwuchern, die Hauptbedrohung für die Stabilität von Freileitungen dar. In einem Vorfall drangen Baumzweige in den Freiraum ein, was zu einer partiellen Phasen-zu-Erde-Verbindung am Seitendraht führte. Der Fehler wurde innerhalb des 2-Stunden-Fensters identifiziert und behoben, wodurch keine Auswirkungen auf den Zugverkehr und keine Kaskadenfehler vermieden wurden. Dies zeigt, dass unter den vorhandenen technischen Bedingungen nicht erdete Neutralpunktsysteme praktische Vorteile bieten.

Kabelleitungen stellen jedoch andere Herausforderungen dar. Im Vergleich zu Freileitungen haben Stromkabel geringere Isolationsreserven und begrenzte Überspannungstoleranzen. Bei einem Einphasen-Erdfehler in einem nicht erdeten System steigen die Spannungen der gesunden Phasen über das normale Phasen-zu-Erde-Niveau – möglicherweise bis zum Leiter-zu-Leiter-Spannungsniveau – was das Risiko multipler Isolationsbrüche in den nicht defekten Phasen erhöht. Darüber hinaus sind die kapazitiven Erdfehlerströme in Kabelsystemen relativ groß, was zu schneller Isolationsdegradation am Fehlerpunkt und einer hohen Wahrscheinlichkeit für die Entwicklung von Phasen-zu-Phasen-Kurzschlüssen führt.

Da Kabel in der Regel durch Vergrabung, Rohrleitung oder Trageinrichtungen installiert werden, ist die Fehlerortung schwierig. Zusammen mit den Einschränkungen in Kabelverbindungs-Techniken, Reparaturlogistik und Eisenbahn-Betriebsfenstern können solche Fehler oft nicht schnell behoben werden. In der Praxis sind Kabelausfälle hauptsächlich auf dauerhafte Isolationsbrüche zurückzuführen – organische Isoliermaterialien können sich nicht selbst regenerieren. In einem nicht erdeten System ermöglicht die fehlende sofortige Abschaltung längere Fehlerströme, die schwere Isolierschäden verursachen, die Fehlerzone erweitern und potenziell sekundäre Probleme wie Strombild-Warnungen oder sogar "Rote Band"-Signalfehler auslösen, die den Zugverkehr stören und manchmal zu lang andauernden Ausfällen und signifikanten Sicherheits- oder Öffentlichkeitsrisiken führen.

3. Auswahl von Neutralpunkt-Erdenmethoden für konventionelle Geschwindigkeits-Eisenbahnstromsysteme

Die Wahl der geeigneten Neutralpunkt-Erdenmethode ist entscheidend für einen stabilen Eisenbahnstrombetrieb. Die Kernherausforderung besteht darin, folgendes auszugleichen:

• Minimierung unnötiger Abschaltungen durch äußere Störungen,

• Sicherstellung ununterbrochener Stromversorgung für kritische Lasten,

• Effektive Fehlerschutz,

• Steuerung der Fehlereinschränkung, und

• Erhalt der elektrischen und isolatorischen Integrität gesunder Geräte bei Fehlern.

Gemäß dem Eisenbahnstrom-Design-Code (TB 10008–2015) gelten für 10(20) kV Durchfütterungsleitungen, die über Spannungsregler versorgt werden, die folgenden Erdungsrichtlinien:

• Falls der einphasige Erdungsfehlstrom ≤ 10 A beträgt, ist ein unerdetes System zu verwenden.

• Falls der Fehlstrom ≤ 150 A beträgt, kann entweder eine Niederwiderstandserdung oder eine Bögenlöschspule verwendet werden; wenn > 150 A, wird eine Niederwiderstandserdung empfohlen.

• Vollständig kabelbasierte Leitungen sollten vorzugsweise eine Niederwiderstandserdung verwenden.

• Bei einer Niederwiderstandserdung sollte der Erdwiderstand so gewählt werden, dass ein einphasiger Erdungsfehlstrom von 200–400 A erreicht wird, mit sofortigem Abschalten bei Fehlerspeicherung.

Im Gegensatz dazu erlaubt die Norm für den Hochgeschwindigkeitsbahnbau (TB 10621–2014) unerdete Neutralpunktsysteme, wenn der Erdungsfehlstrom ≤ 30 A beträgt, wobei eine Kompensation über einen neutralen Erdreaktor erfolgt.

Basierend auf Berechnungen aus Standardhandbüchern für Bahnelektrotechnik sind in Tabelle 1 die maximal zulässigen Kabellängen für gängige Aluminiumkabel (Querschnitte 70 mm² und 95 mm²) entsprechend einphasigen Erdungsfehlströmen von 10 A, 30 A, 60 A, 100 A und 150 A zusammengefasst. Diese Werte können die Auswahl eines geeigneten Erdungsverfahrens basierend auf der tatsächlichen Kabellänge leiten.

Die Erdung über den Nullpunkt ermöglicht eine schnelle Störungsabschaltung. Die Nullfolgen-Sicherung kann innerhalb von 0,2–2,0 Sekunden die Störung isolieren, was die Wahrscheinlichkeit sekundärer dauerhafter elektrischer Vorfälle reduziert und die Isolierzuverlässigkeit und die Lebensdauer der Stromversorgungsgeräte schützt.

4. Vergleich gängiger Neutralpunkterdungsverfahren

4.1 Ungerdeter Neutralpunktsystem

Das ungerdete Neutralpunktsystem bietet den Vorteil einer kontinuierlichen Stromversorgung für 1–2 Stunden bei Einphasen-Erdschlüssen in Leitungen mit überwiegend Luftleitern. In kabeldominierten Leitungen neigt dieses Verfahren jedoch dazu, das Fehlverhalten zu verschlimmern.

4.2 Neutralpunkterdung über Bögenlöschspule

Im Vergleich zum ungerdeten Neutralpunktsystem verwendet diese Methode den induktiven Strom der Bögenlöschspule, um den kapazitiven Strom auszugleichen, wodurch der Erdschlussstrom auf ein Niveau reduziert wird, das sich selbst löschen kann, was die durch Bögen verursachten Überspannungen minimiert. Es ermöglicht auch 1–2 Stunden kontinuierlicher Betrieb bei Einphasen-Erdschlüssen und verhindert, dass Einphasenfehler zu Phasen-zu-Phasenfehlern führen. Dieses Verfahren stellt jedoch höhere Anforderungen an die Erdschluss-Sicherung, kann die fehlerhafte Leitung nicht identifizieren, ist anfällig für Resonanzen und kann die Restladungen in der Leitung nicht effektiv entladen.

4.3 Neutralpunkterdung über Niederwiderstand

In kabeldominierten Leitungen kontrolliert die Erdung über Niederwiderstand effektiv die Bogen-Erdschluss-Überspannungen bei Einphasen-Erdschlüssen, unterdrückt Systemresonanz-Überspannungen, bietet gute Strombegrenzungs- und Spannungsreduktionseffekte und bietet relativ hohe Leistung bei der Nullfolgenüberstromsicherung, was eine zeitnahe Fehlerbeseitigung erleichtert. Dieses Verfahren hat jedoch Grenzen, insbesondere in Abschnitten mit Luftleitern: Eine erhöhte Auslösefrequenz beeinträchtigt den Betrieb des Stromsystems, schwächt die Versorgungsfähigkeit und erhöht die Wartungsschwierigkeiten der Ausrüstung in gewissem Maße.

5. Diskussion über Neutralpunkterdungsverfahren für Eisenbahnstromsysteme

(1) Verbessern Sie die Nutzung automatischer nachverfolgender Bögenlöschspulen. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass er transiente Erdschlüsse im Stromsystem automatisch beseitigt, was die Anzahl der Auslösungen reduziert. Wenn ein Fehlersignal ausgegeben wird, generiert die automatische nachverfolgende Bögenlöschspule einen entsprechenden Kompensationsstrom, was eine Neukompensation der Stromleitung ermöglicht. Dies reduziert die Auftretenshäufigkeit von Kurzschlüssen zwischen den drei Phasen und sichert die Stabilität und Sicherheit des Systems. Gleichzeitig hat das Bögenlöschgerät einen bestimmten kritischen Wert für die Bögenlöschung, so dass, wenn der Erdschlussstrom kleiner als dieser kritische Wert ist, die Spannungswiederherstellungsrate unter dem Einfluss des Bögenlöschgeräts zunimmt, was zur zuverlässigen Bögenlöschung beiträgt und die Wahrscheinlichkeit eines Bögenneuzündens verringert, was die Anzahl der Stromvorfälle reduziert und die zuverlässige neutrale Erdung unterstützt.

(2) Bei der Sanierung bestehender konventioneller Durchleitungs- und automatischer Blocksignal-Leitungen, wenn Kabelleitungen – nach dem Austausch von Luftleitern – einen bedeutenden Anteil haben, wird empfohlen, zentrale oder verteilte Kompensation mit Hilfe von Box-Reaktoren in Betracht zu ziehen, um den induktiven Blindleistungsausgleich unter normalen kapazitiven Strombedingungen zu kompensieren. Laut den Berechnungsergebnissen in Tabelle 2 betragen die Betriebskapazitätswerte 0,22 μF/km für 70 mm² Aluminiumkabel und 0,24 μF/km für 95 mm² Aluminiumkabel. Gleichzeitig sollten Anpassungen an den Verteilerstationen berücksichtigt werden, und die Neutralpunkterdungsverfahren der Spannungsregler in den Verteilerstationen auf beiden Seiten sollten entsprechend den berechneten Daten angepasst werden.

In extremen Fällen, wenn das System unverdrahtet ist und einsträngige Kabel – die den Hochgeschwindigkeitsbahnstandards entsprechen – verwendet werden, wird eine Einphasen-Erdschlussstörung nicht innerhalb des zulässigen Zeitfensters von 2 Stunden beseitigt. Dies führt zu einem anhaltenden thermischen Schaden am Kabel. Darüber hinaus hat der Schaden eines einsträngigen Kabels einen relativ geringen Einfluss auf die benachbarten Phasen, was die Situation weiter verschlimmert, da kein schützender Auslöser ausgelöst wird, was leicht zu systemweiten Ausfällen führen kann.

6. Schlussfolgerung

In herkömmlichen Bahnstromversorgungssystemen beeinflusst die Wahl der Neutralpunktverdrahtungsmethode direkt die Sicherheit und Stabilität des Betriebs. Eine unangemessene Wahl der Neutralpunktverdrahtung kann leicht zu sekundären Fehlern und kaskadierenden Vorfällen führen. Durch Berechnungen und vergleichende Analysen ist eine umfassende und rationale Auswahl der Neutralpunktverdrahtung von großer Bedeutung, um Störungen effektiv zu beseitigen, die Isolierung der Ausrüstung zu schützen, eine zuverlässige Traktionsstromversorgung sicherzustellen und sowohl die Sicherheit des Personals als auch die Betriebssicherheit der Züge zu erhöhen.