روش‌های زمین‌بندی متعادل برای سیستم‌های برق راه‌آهن با سرعت معمولی

سیستم‌های برق راه‌آهن عمدتاً شامل خطوط سیگنال‌دهی خودکار، خطوط تغذیه عبوری، زیرстанیون‌ها و ایستگاه‌های توزیع برق راه‌آهن، و خطوط تأمین برق ورودی می‌باشند. آن‌ها برق را برای عملیات حیاتی راه‌آهن از جمله سیگنال‌دهی، ارتباطات، سیستم‌های قطار، مدیریت مسافران در ایستگاه‌ها و تأسیسات نگهداری فراهم می‌کنند. به عنوان یک بخش جدایی‌ناپذیر از شبکه برق ملی، سیستم‌های برق راه‌آهن ویژگی‌های متمایز مهندسی برق و زیرساخت‌های راه‌آهن را دارا می‌باشند.

تقویت تحقیقات در مورد روش‌های زمین‌کشی در سیستم‌های برق راه‌آهن با سرعت معمولی و در نظر گرفتن به طور کامل این روش‌ها در طراحی، ساخت و عملیات، برای افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان تأمین برق راه‌آهن بسیار مهم است.

۱. مروری بر روش‌های زمین‌کشی در سیستم‌های برق راه‌آهن

روش زمین‌کشی در سیستم‌های برق راه‌آهن معمولاً به پیکربندی زمین‌کشی ترانسفورماتور‌ها اشاره دارد—یک نوع زمین‌کشی عملی که به شدت با سطح ولتاژ، جریان خطا تک‌فازی، سطح ولتاژ بیش از حد و طرح‌های محافظت رله‌ای مرتبط است. این یک موضوع فنی پیچیده است که می‌تواند به طور کلی به دو دسته تقسیم شود:

• سیستم‌های غیرمستقیم زمین‌کشی: شامل سیستم‌های بدون زمین‌کشی، زمین‌کشی با سیم مقاوم (سیم پترسن) و سیستم‌های زمین‌کشی با مقاومت بالا؛

• سیستم‌های مستقیم زمین‌کشی: شامل زمین‌کشی مستقیم و زمین‌کشی با مقاومت پایین.

برق تأمین شده از شبکه ملی به راه‌آهن به طور کلی از پیکربندی نامتمرکز زمین‌کشی استفاده می‌کند. خطوط تغذیه از زیرستانیون‌ها و ایستگاه‌های توزیع برق راه‌آهن معمولاً مستقیماً از باربر ثانویه (واقع در پشت باربر ورودی ولی قبل از تنظیم‌کننده ولتاژ) جدا می‌شوند، بنابراین همچنین از سیستم نامتمرکز زمین‌کشی استفاده می‌کنند. برای خطوط تغذیه عبوری، می‌توان روش زمین‌کشی ترانسفورماتور تنظیم‌کننده ولتاژ را بر اساس نیازهای واقعی انتخاب کرد.

به تفاوت از سیستم‌های برق راه‌آهن با سرعت بالا که معمولاً از زمین‌کشی با مقاومت پایین استفاده می‌کنند، سیستم‌های راه‌آهن با سرعت معمولی عمدتاً از پیکربندی نامتمرکز زمین‌کشی استفاده می‌کنند. اگرچه این رویکرد مزایای خاصی دارد، اما استانداردهای ایمنی در حال تکامل و به‌روزرسانی‌های فنی مداوم نیاز به بازنگری استراتژی‌های زمین‌کشی در زمینه عملیات فعلی را می‌طلبد.

۲. مزایا و محدودیت‌های سیستم‌های نامتمرکز زمین‌کشی

بر اساس کد طراحی برق راه‌آهن (TB 10008–2015)، پیکربندی خطوط تغذیه عبوری باید بر اساس قابلیت اطمینان تأمین برق و شرایط خاص پروژه تعیین شود، با استفاده از خطوط ترکیبی کابل‌های هوایی یا خطوط کابلی کاملاً زیرزمینی.

به دلیل محدودیت‌های بودجه و امکانات فنی، بیشتر خطوط تغذیه عبوری راه‌آهن با سرعت معمولی فعلی به طور اصلی به صورت هادی‌های هوایی یا ترکیبی با غالب هوایی عمل می‌کنند. بنابراین، سیستم‌های زمین‌کشی آن‌ها معمولاً از سیستم‌های نامتمرکز (بدون زمین‌کشی) یا سیستم‌های زمین‌کشی با جریان کم استفاده می‌کنند. بر اساس ماده ۶۹ قوانین مدیریت برق راه‌آهن، خطاها تک‌فازی در چنین سیستم‌هایی باید به سرعت برطرف شوند و مدت زمان مجاز برای عملیات خطا معمولاً بیش از ۲ ساعت نمی‌باشد.

داده‌های عملیاتی از یک بخش خاص از یک اداره راه‌آهن بین ژانویه و اکتبر ۲۰۲۳، ۱۵۲ بار خاموشی برق را ثبت کرد، که ۱۵ مورد آن خرابی‌های مربوط به تجهیزات (۲ مورد به علت داخلی و ۱۳ مورد به علل خارجی) بود. به طور قابل توجهی، خطرات محیطی—به ویژه ورود گیاهان—تهدید اصلی برای پایداری خطوط هوایی است. در یک مورد، شاخه‌های درخت به منطقه مجاز نفوذ کردند و اتصال جزئی فاز به زمین در هادی جانبی ایجاد شد. خطا در مدت زمان ۲ ساعت تشخیص داده و حل شد و هیچ تأثیری بر عملیات قطار نداشت و از خرابی‌های متعدد جلوگیری شد. این نشان می‌دهد که تحت شرایط فنی موجود، سیستم‌های نامتمرکز زمین‌کشی مزایای عملی دارند.

اما خطوط کابلی چالش‌های متفاوتی دارند. در مقایسه با خطوط هوایی، کابل‌های برق دارای حاشیه‌های عایق‌بندی کمتر و تحمل ولتاژ بیش از حد محدود هستند. در زمان خطا تک‌فازی در یک سیستم نامتمرکز زمین‌کشی، ولتاژ فاز‌های سالم بالاتر از سطح معمول فاز به زمین می‌رسد—می‌تواند به سطح فاز به فاز برسد—که احتمال خرابی عایق‌بندی چند نقطه‌ای در فاز‌های غیرخطا را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، جریان‌های خطا تک‌فازی در سیستم‌های کابلی نسبتاً زیاد است که منجر به تخریب سریع عایق‌بندی در نقطه خطا و احتمال بالای تبدیل شدن به خطا دو فازی می‌شود.

چون کابل‌ها معمولاً از طریق روش‌های دفن، لوله یا تری نصب می‌شوند، محل خطا مشخص کردن آن دشوار است. با توجه به محدودیت‌های تکنیک‌های اتصال کابل، لجستیک تعمیر و پنجره‌های عملیاتی راه‌آهن، چنین خطاها معمولاً نمی‌توانند به سرعت حل شوند. در عمل، خرابی‌های کابلی عمدتاً به دلیل خرابی دائمی عایق‌بندی—مواد عایق‌بندی آلی نمی‌توانند خود را بازیابی کنند—است. در یک سیستم نامتمرکز زمین‌کشی، عدم خاموشی فوری اجازه می‌دهد تا جریان خطا طولانی‌مدت باشد که منجر به خرابی شدید عایق‌بندی، گسترش منطقه خطا و حتی مشکلات ثانویه مانند هشدارهای صفحه نمایش برق یا حتی خرابی‌های "نوار قرمز" که خدمات قطار را مختل می‌کنند—گاهی اوقات منجر به قطعی‌های طولانی و خطرات ایمنی یا روابط عمومی قابل توجه می‌شود.

۳. انتخاب روش‌های زمین‌کشی برای سیستم‌های برق راه‌آهن با سرعت معمولی

انتخاب روش مناسب زمین‌کشی برای عملیات پایدار برق راه‌آهن بسیار مهم است. چالش اصلی در تعادل بین است:

• کاهش خاموشی‌های غیر ضروری ناشی از اختلالات خارجی،

• ضمان تأمین برق بدون وقفه به بارهای حیاتی،

• امکان محافظت مؤثر از خطا،

• کنترل انتشار خطا، و

• حفظ تمامیت الکتریکی و عایق‌بندی تجهیزات سالم در زمان خطا.

بر اساس کد طراحی برق راه‌آهن (TB 10008–2015)، برای خطوط تغذیه عبوری ۱۰(۲۰) kV که از طریق تنظیم‌کننده‌های ولتاژ تأمین می‌شوند، دستورالعمل‌های زمین‌کشی زیر وجود دارد:

• اگر جریان ظرفیتی خطا تک‌فازی ≤ ۱۰ آمپر باشد، باید از سیستم بدون زمین‌گیری استفاده شود.

• اگر جریان ≤ ۱۵۰ آمپر باشد، می‌توان از زمین‌گیری مقاومت کم یا زمین‌گیری با کویل خنثی‌سازی استفاده کرد؛ اگر > ۱۵۰ آمپر باشد، پیشنهاد می‌شود از زمین‌گیری مقاومت کم استفاده شود.

• در خطوط کاملاً کابلی، بهتر است از زمین‌گیری مقاومت کم استفاده شود.

• برای زمین‌گیری مقاومت کم، مقاومت زمین‌گیری باید به گونه‌ای انتخاب شود که جریان خطا تک‌فازی ۲۰۰-۴۰۰ آمپر باشد و در صورت تشخیص خطا، قطع فوری انجام شود.

به طور متقابل، کد طراحی راه‌آهن با سرعت بالا (TB ۱۰۶۲۱–۲۰۱۴) اجازه می‌دهد که در صورتی که جریان ظرفیتی خطا ≤ ۳۰ آمپر باشد، از سیستم‌های نوترال بدون زمین‌گیری استفاده شود، با جبران از طریق راکتور متصل به نوترال.

بر اساس محاسبات انجام شده از دستورالعمل‌های استاندارد مهندسی برق راه‌آهن، طول کابل حداکثر مجاز برای کابل‌های آلومینیومی معمولی (با مقطع ۷۰ میلی‌متر مربع و ۹۵ میلی‌متر مربع) متناظر با جریان‌های ظرفیتی خطا تک‌فازی ۱۰ آمپر، ۳۰ آمپر، ۶۰ آمپر، ۱۰۰ آمپر و ۱۵۰ آمپر در جدول ۱ خلاصه شده‌اند. این مقادیر می‌توانند در انتخاب روش مناسب زمین‌گیری بر اساس طول کابل واقعی راهنمایی کنند.

زمین‌کردن از طریق نقطه متعادل امکان رفع سریع خطا را فراهم می‌کند. حفاظت صفر-دنباله‌ای می‌تواند در مدت ۰٫۲ تا ۲٫۰ ثانیه برای جدا کردن خطا عمل کند، احتمال وقوع حوادث الکتریکی دائمی دومی را کاهش می‌دهد و قابلیت عایق بندی و طول عمر تجهیزات الکتریکی را حفظ می‌کند.

۴. مقایسه روش‌های متداول زمین‌کردن متعادل

۴.۱ سیستم بدون زمین‌کردن متعادل

روش بدون زمین‌کردن متعادل مزیت تامین پیوسته انرژی برای ۱-۲ ساعت در مواقع خطا به تک فاز در خطوط غالب با سیم‌های هوایی را فراهم می‌کند. با این حال، در خطوط غالب با کابل، این روش معمولاً منجر به افزایش خطا می‌شود.

۴.۲ زمین‌کردن متعادل از طریق کویل خنثی‌سازی قوس

در مقایسه با سیستم بدون زمین‌کردن متعادل، این روش از جریان القایی کویل خنثی‌سازی قوس برای جبران جریان خازنی استفاده می‌کند، جریان خطا را به سطحی کاهش می‌دهد که می‌تواند خود به خود خاموش شود، بنابراین ولتاژهای بیش از حد ناشی از قوس را کاهش می‌دهد. همچنین این روش اجازه ۱-۲ ساعت عملکرد پیوسته در مواقع خطا به تک فاز را می‌دهد و از تبدیل شدن خطا به خطا بین فاز‌ها جلوگیری می‌کند. با این حال، این روش نیازهای بالاتری برای محافظت از خطا دارد، نمی‌تواند خط خطا را شناسایی کند، آسان به رزونانس می‌شود و نمی‌تواند بارهای باقیمانده روی خط را به طور موثر رها کند.

۴.۳ زمین‌کردن متعادل از طریق مقاومت کم

در خطوط غالب با کابل، روش زمین‌کردن با مقاومت کم به طور مؤثری ولتاژهای بیش از حد ناشی از قوس در مواقع خطا به تک فاز را کنترل می‌کند، ولتاژهای بیش از حد رزونانس سیستم را کاهش می‌دهد، اثرات محدودکننده جریان و کاهنده ولتاژ خوبی دارد و عملکرد محافظت بیش از حد صفر-دنباله‌ای نسبتاً بالا دارد، که تسهیل می‌کند رفع خطا به موقع. با این حال، این روش محدودیت‌هایی دارد، به ویژه در بخش‌های خط هوایی: افزایش فرکانس قطع برق عملکرد سیستم برق را تحت تأثیر قرار می‌دهد، قابلیت تامین برق را ضعیف می‌کند و تا حدودی دشواری‌های نگهداری تجهیزات را افزایش می‌دهد.

۵. بحث درباره روش‌های زمین‌کردن متعادل برای سیستم‌های برق ریلی

(۱) افزایش استفاده از دستگاه‌های خنثی‌سازی قوس خودکار. این رویکرد مزیت حذف خودکار خطا به تک فاز موقت در سیستم برق را دارد، بنابراین تعداد قطع‌های برق را کاهش می‌دهد. وقتی سیگنال هشدار خطا ارسال می‌شود، خنثی‌سازی قوس خودکار جریان جبرانی متناسبی تولید می‌کند، که امکان جبران مجدد خط برق را فراهم می‌کند. این کار وقوع خطا در بین سه فاز را کاهش می‌دهد و پایداری و امنیت سیستم را تضمین می‌کند. در عین حال، چون دستگاه خنثی‌سازی قوس مقدار بحرانی خاصی برای خاموش شدن قوس دارد، اگر جریان خطا کمتر از این مقدار بحرانی باشد، سرعت بازیابی ولتاژ تحت تأثیر دستگاه خنثی‌سازی قوس افزایش می‌یابد، که به خاموش شدن قابل اعتماد قوس و کاهش احتمال دوباره روشن شدن قوس کمک می‌کند، بنابراین حوادث برق را کاهش می‌دهد و عملکرد قابل اعتماد زمین‌کردن متعادل را تضمین می‌کند.

(۲) در طی تغییرات در خطوط موجود با سرعت معمولی و خطوط اتوماتیک بلوک، اگر خطوط کابلی—پس از جایگزینی خطوط هوایی—درصد قابل توجهی را تشکیل می‌دهند، توصیه می‌شود جبران مرکزی یا پخش‌شده با استفاده از واکنش‌گرهای جعبه‌ای در نظر گرفته شود تا در شرایط جریان خازنی عادی جبران قدرت واکنش‌گری القایی را انجام دهد. بر اساس نتایج محاسبات در جدول ۲، مقادیر ظرفیت عملکردی ۰٫۲۲ میکروفاراد/کیلومتر برای کابل آلومینیومی ۷۰ میلی‌متر مربع و ۰٫۲۴ میکروفاراد/کیلومتر برای کابل آلومینیومی ۹۵ میلی‌متر مربع است. همزمان، باید تغییرات سازگاری در اتاق‌های توزیع در نظر گرفته شود و روش‌های زمین‌کردن متعادل تنظیمات ولتاژ در اتاق‌های توزیع دو طرف بر اساس داده‌های محاسبه‌شده تنظیم شوند.

در شرایط بسیار نامساعد، اگر سیستم بدون زمین‌بندی باشد و از کابل‌های تک‌هسته‌ای مطابق استانداردهای راه‌آهن با سرعت بالا استفاده شود، خرابی فاز تک به زمین در پنجره مجاز دو ساعته خاتمه نخواهد یافت. این امر منجر به آسیب حرارتی مداوم کابل می‌شود. علاوه بر این، پس از آسیب دیدن کابل تک‌هسته‌ای، تأثیر آن بر فازهای مجاور نسبتاً ضعیف است که وضعیت را با عدم فعال شدن قطع‌کننده‌های محافظتی تشدید می‌کند و به راحتی می‌تواند منجر به خرابی‌های سیستمیک شود.

۶. نتیجه‌گیری

در سیستم‌های تغذیه الکتریکی راه‌آهن با سرعت معمولی، انتخاب روش زمین‌بندی میانی مستقیماً بر ایمنی و پایداری عملکرد سیستم تأثیر می‌گذارد. انتخاب نامناسب روش زمین‌بندی میانی می‌تواند به راحتی منجر به خرابی‌های ثانویه و حوادث لانه‌ای شود. از طریق محاسبه و تحلیل مقایسه‌ای، انتخاب جامع و منطقی روش زمین‌بندی میانی اهمیت بسیاری در رفع مؤثر خرابی‌ها، حفاظت از عایق تجهیزات، تضمین تأمین قابل اعتماد انرژی برای تحرک و افزایش ایمنی افراد و عملیات قطار دارد.