Μέθοδοι Μηδενικής Σύνδεσης για Συστήματα Ρεύματος σε Συμβατικές Ταχύτητες Σιδηροδρόμων

Τα συστήματα ηλεκτροδότησης σιδηροδρόμων αποτελούνται κυρίως από γραμμές αυτόματης σηματοδότησης τύπου block, γραμμές διανομής ισχύος, υποσταθμούς και σταθμούς διανομής σιδηροδρόμων, καθώς και γραμμές εισόδου παροχής ισχύος. Παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε κρίσιμες λειτουργίες σιδηροδρόμων, συμπεριλαμβανομένων σηματοδότησης, επικοινωνιών, συστημάτων κυλιόμενου υλικού, εξυπηρέτησης επιβατών σε σταθμούς και εγκαταστάσεων συντήρησης. Ως αναπόσπαστο μέρος του εθνικού δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, τα συστήματα ηλεκτροδότησης σιδηροδρόμων παρουσιάζουν ξεχωριστά χαρακτηριστικά τόσο της ηλεκτρολογικής μηχανικής όσο και της σιδηροδρομικής υποδομής.

Η ενίσχυση της έρευνας για τις μεθόδους γείωσης ουδετέρου στα συστήματα ηλεκτροδότησης συμβατικών σιδηροδρόμων—και η εκτεταμένη εξέταση αυτών των μεθόδων κατά το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη λειτουργία—έχει μεγάλη σημασία για τη βελτίωση της ασφάλειας και της αξιοπιστίας της ηλεκτροδότησης σιδηροδρόμων.

1. Επισκόπηση των Μεθόδων Γείωσης Ουδετέρου στα Συστήματα Ηλεκτροδότησης Σιδηροδρόμων

Η μέθοδος γείωσης ουδετέρου στα συστήματα ηλεκτροδότησης σιδηροδρόμων αναφέρεται συνήθως στη διάταξη γείωσης των μετασχηματιστών—μια μορφή λειτουργικής (εργασίας) γείωσης που σχετίζεται στενά με το επίπεδο τάσης, το ρεύμα μονοφασικής βραχυκύκλωσης προς γείωση, τα επίπεδα υπερτάσεων και τα σχήματα προστασίας με ρελέ. Αποτελεί ένα πολύπλοκο τεχνικό ζήτημα που μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ευρέως σε:

• Μη στερεά γειωμένα συστήματα: περιλαμβανομένων των μη γειωμένων, των γειωμένων με πηνίο κατασβέσεως τόξου (πηνίο Petersen) και των υψηλής αντίστασης γειωμένων συστημάτων·

• Στερεά γειωμένα συστήματα: περιλαμβανομένων της άμεσης γείωσης και της γείωσης χαμηλής αντίστασης.

Η ισχύς που παρέχεται από το εθνικό δίκτυο στους σιδηροδρόμους χρησιμοποιεί παντού μη γειωμένη διάταξη ουδετέρου. Οι κυκλώματα διανομής από τους υποσταθμούς και τους σταθμούς διανομής σιδηροδρόμων αποκλαδίζονται συνήθως απευθείας από τη δευτερεύουσα μπάρα (που βρίσκεται μετά τη μπάρα εισόδου ισχύος αλλά πριν τον ρυθμιστή τάσης), χρησιμοποιώντας επίσης σύστημα μη γειωμένου ουδετέρου. Για τις γραμμές διανομής, η μέθοδος γείωσης του μετασχηματιστή ρύθμισης τάσης μπορεί να επιλεγεί ανάλογα με τις πραγματικές ανάγκες.

Σε αντίθεση με τα συστήματα ηλεκτροδότησης υψηλής ταχύτητας—που χρησιμοποιούν συνήθως γείωση χαμηλής αντίστασης—τα συστήματα συμβατικών σιδηροδρόμων χρησιμοποιούν κυρίως μη γειωμένες διατάξεις ουδετέρου. Αν και αυτή η προσέγγιση προσφέρει ορισμένα πλεονεκτήματα, εξελισσόμενα πρότυπα ασφαλείας και συνεχείς τεχνικές αναβαθμίσεις επιβάλλουν την επαναξιολόγηση των στρατηγικών γείωσης στο σημερινό πλαίσιο λειτουργίας.

2. Πλεονεκτήματα και Περιορισμοί των Μη Γειωμένων Συστημάτων Ουδετέρου

Σύμφωνα με τον Κώδικα Σχεδιασμού Ηλεκτροδότησης Σιδηροδρόμων (TB 10008–2015), η διάταξη των γραμμών διανομής πρέπει να καθορίζεται με βάση την αξιοπιστία παροχής ισχύος και τις συνθήκες του έργου, χρησιμοποιώντας είτε υβριδικές γραμμές αγωγών και καλωδίων είτε πλήρως υπόγειες καλωδιωτές γραμμές.

Λόγω περιορισμών στον προϋπολογισμό και την τεχνική εφικτότητα, οι περισσότερες λειτουργούσες γραμμές διανομής συμβατικών σιδηροδρόμων βασίζονται προς το παρόν κυρίως σε αγωγούς αέρος ή υβριδικές διατάξεις με κυριαρχία αγωγών αέρος. Ως εκ τούτου, οι μέθοδοι γείωσης ουδετέρου τους υιοθετούν συνήθως μονωμένο ουδέτερο (μη γειωμένο) ή συστήματα μικρού ρεύματος γείωσης. Σύμφωνα με το Άρθρο 69 του Κανονισμού Διαχείρισης Ηλεκτροδότησης Σιδηροδρόμων, οι μονοφασικές βραχυκυκλώσεις προς γείωση σε τέτοια συστήματα πρέπει να αντιμετωπίζονται άμεσα, με το επιτρεπόμενο χρονικό διάστημα λειτουργίας με βλάβη να μην υπερβαίνει γενικά τις 2 ώρες.

Δεδομένα λειτουργίας από ένα συγκεκριμένο τμήμα σιδηροδρομικής διεύθυνσης μεταξύ Ιανουαρίου και Οκτωβρίου 2023 κατέγραψαν 152 διακοπές ισχύος, από τις οποίες οι 15 ήταν βλάβες εξοπλισμού (2 λόγω εσωτερικής ευθύνης, 13 λόγω εξωτερικών παραγόντων). Ειδικά, οι κίνδυνοι από το περιβάλλον—και ιδιαίτερα η επέμβαση βλάστησης—αποτελούν την κύρια απειλή για τη σταθερότητα των γραμμών αέρος. Σε ένα περιστατικό, κλαδιά δέντρων εισήλθαν στη ζώνη απόστασης, προκαλώντας μερική σύνδεση φάσης-προς-γείωση σε πλευρικό αγωγό. Η βλάβη ανιχνεύθηκε και αποκαταστάθηκε εντός του παραθύρου των 2 ωρών, εμποδίζοντας οποιαδήποτε επίπτωση στις σιδηροδρομικές λειτουργίες και αποφεύγοντας καταστροφικές αστοχίες. Αυτό δείχνει ότι, με τις υπάρχουσες τεχνικές συνθήκες, τα μη γειωμένα συστήματα ουδετέρου προσφέρουν πρακτικά οφέλη.

Ωστόσο, οι καλωδιωτές γραμμές παρουσιάζουν διαφορετικές προκλήσεις. Σε σύγκριση με τις γραμμές αέρος, τα ηλεκτρικά καλώδια έχουν μικρότερα περιθώρια μόνωσης και περιορισμένη ανοχή σε υπερτάσεις. Κατά τη διάρκεια μονοφασικής βραχυκύκλωσης προς γείωση σε μη γειωμένο σύστημα, οι τάσεις των υγιών φάσεων αυξάνονται πάνω από τα φυσιολογικά επίπεδα φάση-προς-γείωση—πιθανώς φθάνοντας στην τάση φάση-προς-φάση—αυξάνοντας τον κίνδυνο πολλαπλών αστοχιών μόνωσης σε μη ελαττωματικές φάσεις. Επιπλέον, τα ρεύματα βραχυκύκλωσης προς γείωση λόγω χωρητικότητας στα συστήματα καλωδίων είναι σχετικά μεγάλα, οδηγώντας σε γρήγορη εξασθένιση της μόνωσης στο σημείο βλάβης και υψηλή πιθανότητα εξέλιξης σε βραχυκυκλώσεις φάση-προς-φάση.

Επειδή τα καλώδια τοποθετούνται συνήθως μέσω θαψίματος, σε σωλήνες ή δίσκους, η εντοπισμός βλαβών είναι δύσκολος. Σε συνδυασμό με περιορισμούς στις τεχνικές σύνδεσης καλωδίων, τη λογιστική επισκευής και τα χρονικά παράθυρα λειτουργίας των σιδηροδρόμων, τέτοιες βλάβες συχνά δεν μπορούν να αποκατασταθούν γρήγορα. Στην πράξη, οι βλάβες καλωδίων οφείλονται κυρίως σε μόνιμη αστοχία μόνωσης—τα οργανικά υλικά μόνωσης δεν μπορούν να ανακάμψουν από μόνα τους. Σε ένα μη γειωμένο σύστημα, η έλλειψη άμεσου διακοπής επιτρέπει τη διατήρηση των ρευμάτων βλάβης για μεγάλο χρονικό διάστημα, προκαλώντας σοβαρή βλάβη στη μόνωση, επέκταση της ζώνης βλάβης και πιθανή πρόκληση δευτερευόντων προβλημάτων, όπως συναγερμοί σε πίνακες ισχύος ή ακόμη και αστοχίες σηματοδότησης "κόκκινης ζώνης" που διαταράσσουν τις σιδηροδρομικές υπηρεσίες—μερικές φορές οδηγώντας σε επεκτεταμένες διακοπές και σημαντικούς κινδύνους ασφαλείας ή δημοσίων σχέσεων.

3. Επιλογή Μεθόδων Γείωσης Ουδετέρου για Συστήματα Ηλεκτροδότησης Συμβατικών Σιδηροδρόμων

Η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου γείωσης ουδετέρου είναι κρίσιμη για τη σταθερή λειτουργία της ηλεκτροδότησης σιδηροδρόμων. Το βασικό πρόβλημα έγκειται στην επίτευξη ισορροπίας μεταξύ:

• Ελαχιστοποίησης των άσκοπων διακοπών λόγω εξωτερικών διαταραχών,

• Διασφάλισης αδιάλειπτης παροχής ισχύος σε κρίσιμα φορτία,

• Εξασφάλισης αποτελεσματικής προστασίας από βλάβες,

• Έλεγχου της εξάπλωσης βλαβών, και

• Διατήρησης της ηλεκτρικής και μονωτικής ακεραιότητας του υγιούς εξοπλισμού κατά τη διάρκεια βλαβών.

Σύμφων

• Εάν ο μονοφασικός ρευστής σφάλματος σε γη ≤ 10 A, πρέπει να χρησιμοποιείται ένα σύστημα χωρίς αγωγό στη γη.

• Εάν ο ρευστής ≤ 150 A, μπορεί να επιλεγεί είτε μια κατώτερη αντίσταση στη γη είτε μια συμπίεση του φασματικού βραχυκύκλωμα. Εάν > 150 A, συνιστάται η κατώτερη αντίσταση στη γη.

• Οι γραμμές πλήρως βασισμένες σε καλώδια πρέπει να χρησιμοποιούν κατώτερη αντίσταση στη γη.

• Για την κατώτερη αντίσταση στη γη, ο αντιστατηρίος γης πρέπει να επιλεγεί ώστε να δημιουργήσει μονοφασικό ρευστή σφάλματος στη γη 200-400 A, με αμέση απόρριψη σε περίπτωση εντοπισμού σφάλματος.

Σε αντίθεση, ο Κώδικας Σχεδίασης Ταχείας Σιδηροδρομικής Γραμμής (TB 10621–2014) επιτρέπει ασύνδετα συστήματα ουδέτερου όταν ο ρευστής σφάλματος σε γη ≤ 30 A, με αποζημίωση μέσω ενός αντιστατηρίου στην γη του ουδέτερου.

Βάσει υπολογισμών από τυπικά βιβλία χειρός για την σιδηροδρομική ηλεκτροτεχνία, οι μέγιστες επιτρεπόμενες μήκη καλωδίων για κοινά αλουμινιού καλώδια (διατομές 70 mm² και 95 mm²) που αντιστοιχούν σε μονοφασικό ρευστή σφάλματος σε γη 10 A, 30 A, 60 A, 100 A, και 150 A συνοψίζονται στον Πίνακα 1. Αυτές οι τιμές μπορούν να καθοδηγήσουν την επιλογή μιας κατάλληλης μεθόδου σύνδεσης με τη γη με βάση το πραγματικό μήκος καλώδιου.

Η εδραίωση μέσω του ουδέτερου σημείου επιτρέπει τη γρήγορη απομάκρυνση της βλάβης. Η προστασία με μηδενικό ακολουθιακό ρυθμό μπορεί να λειτουργήσει εντός 0,2-2,0 δευτερολέπτων για να απομονώσει τη βλάβη, μειώνοντας την πιθανότητα δευτερεύουσας μόνιμης ηλεκτρικής παραβίασης και προστατεύοντας την αξιόπιστη λειτουργία και τη διάρκεια ζωής των εγκαταστάσεων ενέργειας.

4. Σύγκριση κοινών μεθόδων εδραίωσης του ουδέτερου

4.1 Ανεδραιωμένο σύστημα ουδέτερου

Η μέθοδος του ανεδραιωμένου ουδέτερου παρέχει το πλεονέκτημα της συνεχούς παροχής ενέργειας για 1-2 ώρες κατά τη διάρκεια μονοφασικών βλάβων εδάφους σε γραμμές που κυριαρχούνται από αεροδιαγώνιες γραμμές. Ωστόσο, σε γραμμές που κυριαρχούνται από καλώδια, αυτή η μέθοδος τείνει να προκαλεί εξέλιξη της βλάβης.

4.2 Εδραίωση του ουδέτερου μέσω κατασταλτικού κύκλου

Σε σύγκριση με το ανεδραιωμένο σύστημα ουδέτερου, αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί την ενδεικτική ροή του κατασταλτικού κύκλου για να αντισταθμίσει την κατανεμημένη ροή, μειώνοντας τη ροή της βλάβης σε επίπεδο που μπορεί να αυτοεξαφανιστεί, έτσι ώστε να μειώνει τις υπερτάσεις που προκαλούνται από την αρκούδα. Αυτή η μέθοδος επιτρέπει επίσης 1-2 ώρες συνεχής λειτουργίας κατά τη διάρκεια μονοφασικών βλάβων εδάφους και προλαμβάνει την εξέλιξη των μονοφασικών βλάβων σε φασικές βλάβες. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος θέτει υψηλότερες απαιτήσεις στην προστασία από βλάβες εδάφους, δεν μπορεί να αναγνωρίσει την παραβιασμένη γραμμή, είναι ευάλωτη σε συντονία και δεν μπορεί να εκτοξεύσει αποτελεσματικά τις υπόλοιπες ροές στη γραμμή.

4.3 Εδραίωση του ουδέτερου μέσω χαμηλής αντίστασης

Σε γραμμές που κυριαρχούνται από καλώδια, η μέθοδος εδραίωσης με χαμηλή αντίσταση ελέγχει αποτελεσματικά τις υπερτάσεις εδάφους κατά τη διάρκεια μονοφασικών βλάβων, καταστέλλει τις υπερτάσεις συντονίας του συστήματος, παρέχει καλές επιδόσεις περιορισμού ροής και μείωσης τάσης, και παρέχει αρκετά υψηλή παραδοσιακή προστασία από υπερροές μηδενικού, διευκολύνοντας την εγκαίρως απομάκρυνση της βλάβης. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος έχει περιορισμούς, ειδικά σε τμήματα αεροδιαγώνιων γραμμών: η αύξηση της συχνότητας των αποσυνδέσεων επηρεάζει τη λειτουργία του συστήματος ενέργειας, αδυναμώνει την ικανότητα παροχής ενέργειας και αυξάνει σε κάποιο βαθμό τη δυσκολία συντήρησης των εγκαταστάσεων.

5. Συζήτηση για τις μεθόδους εδραίωσης του ουδέτερου σε συστήματα ενέργειας σιδηροδρόμων

(1) Ενισχύστε την αξιοποίηση των συσκευών αυτόματης παρακολούθησης κατασταλτικού κύκλου. Αυτή η προσέγγιση έχει το πλεονέκτημα της αυτόματης εξάλειψης των προσωρινών βλάβων εδάφους στο σύστημα ενέργειας, μειώνοντας έτσι τον αριθμό των αποσυνδέσεων. Όταν εκδίδεται σήμα ειδοποίησης βλάβης, ο αυτόματος κατασταλτικός κύκλος παράγει αντίστοιχη ροή αντιστάθμισης, επιτρέποντας την επανακατασταλτική αντιστάθμιση της γραμμής ενέργειας. Αυτό μειώνει την εμφάνιση βλάβων μεταξύ των τριών φάσεων και εξασφαλίζει τη σταθερότητα και ασφάλεια του συστήματος. Παράλληλα, αφού η συσκευή κατάστασης έχει ένα συγκεκριμένο κρίσιμο όριο σβήσης της αρκούδας, αν η ροή βλάβης εδάφους είναι μικρότερη από αυτό το κρίσιμο όριο, η ταχύτητα αποκατάστασης τάσης αυξάνεται υπό την επίδραση της συσκευής κατάστασης, βοηθώντας στην αξιόπιστη σβήση της αρκούδας και μειώνοντας την πιθανότητα επανάνάφλεξης της αρκούδας, έτσι ώστε να μειώνονται οι ηλεκτρικές παραβιάσεις και να υποστηρίζεται αξιόπιστη λειτουργία εδραίωσης του ουδέτερου.

(2) Κατά την ανανέωση υπάρχουσας συμβατικής γραμμής μεταφοράς και αυτόματης σήμανσης, αν οι γραμμές καλώδιων (μετά την αντικατάσταση των αεροδιαγώνιων γραμμών) αντιπροσωπεύουν σημαντική αναλογία, συνιστάται να ληφθεί υπόψη η κεντρική ή διανεμημένη αντιστάθμιση με χρήση κατασκευών κατασταλτικών κυκλών για την αντιστάθμιση της κατανεμημένης ροής υπό συνθήκες κανονικής ροής. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των υπολογισμών στον Πίνακα 2, οι τιμές λειτουργικής διελκτικότητας είναι 0,22 μF/km για καλώδιο με αλουμινίου 70 mm² και 0,24 μF/km για καλώδιο με αλουμινίου 95 mm². Παράλληλα, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη τροποποιήσεις προσαρμογής στις διανομικές δωμάτια, και οι μεθόδοι εδραίωσης του ουδέτερου των ρυθμιστών τάσης στα διανομικά δωμάτια στις δύο πλευρές θα πρέπει να προσαρμοστούν ανάλογα με τα υπολογισμένα δεδομένα.

Σε εξαιρετικές περιπτώσεις, αν το σύστημα δεν είναι εδραιωμένο και χρησιμοποιούνται μονοπυκνωματικά καλώδια που συμμορφώνονται με τα πρότυπα των υψηλών ταχεών σιδηροδρόμων, ένα ενιαίο φάση-γη συνέχεια δεν θα επεξεργαστεί εντός του επιτρεπτού παράθυρου 2 ωρών. Αυτό προκαλεί συνεχή θερμική βλάβη στο καλώδιο. Επιπλέον, μετά τη βλάβη ενός μονοπυκνωματικού καλώδιου, η επίδρασή του στις γειτονικές φάσεις είναι σχετικά αδύναμη, επιδεινώνοντας την κατάσταση, καθώς δεν ενεργοποιεί την προστασία, η οποία μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε συστημικές παραλείψεις.

6. Συμπέρασμα

Στα συστήματα ενέργειας των συνηθισμένων ταχεών σιδηροδρόμων, η επιλογή της μέθοδου εδραίωσης της ουδέτερης επιφάνειας επηρεάζει άμεσα την ασφάλεια και τη σταθερότητα λειτουργίας του συστήματος. Μια ανάλογη επιλογή της μέθοδου εδραίωσης της ουδέτερης επιφάνειας μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε δευτερεύουσες βλάβες και σε συνεχικές περιστάσεις. Μέσω των υπολογισμών και της συγκριτικής ανάλυσης, μια ολοκληρωμένη και λογική επιλογή της μέθοδου εδραίωσης της ουδέτερης επιφάνειας έχει μεγάλη σημασία για την αποτελεσματική επεξεργασία των βλαβών, την προστασία της απομόνωσης των εξοπλισμών, την εγγύηση της αξιόπιστης παροχής τροχοποίησης και την ενίσχυση της ασφάλειας των εργαζομένων και της λειτουργίας των τρένων.