روش‌های زمین‌بندی متعادل برای سیستم‌های برق راه‌آهن با سرعت معمولی

سیستم‌های برق راه‌آهن عمدتاً شامل خطوط سیگنال‌دهی خودکار، خطوط تغذیه عبوری، زیرстанیون‌های راه‌آهن و ایستگاه‌های توزیع، و خطوط تامین برق ورودی می‌شوند. آنها برق را برای عملیات مهم راه‌آهن از جمله سیگنال‌دهی، ارتباطات، سیستم‌های قطار، مدیریت مسافران در ایستگاه‌ها و تأسیسات نگهداری فراهم می‌کنند. به عنوان بخشی از شبکه برق ملی، سیستم‌های برق راه‌آهن ویژگی‌های متمایز مهندسی برق و زیرساخت‌های راه‌آهن را نشان می‌دهند.

تقویت پژوهش در روش‌های زمین‌بندی متعادل در سیستم‌های برق راه‌آهن با سرعت معمولی و در نظر گرفتن جامع این روش‌ها در طراحی، ساخت و عملیات، برای افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان تأمین برق راه‌آهن بسیار مهم است.

۱. مروری بر روش‌های زمین‌بندی متعادل در سیستم‌های برق راه‌آهن

روش زمین‌بندی متعادل در سیستم‌های برق راه‌آهن معمولاً به کنفیگوراسیون زمین‌بندی ترانسفورماتورها اشاره دارد—که یک نوع زمین‌بندی عملی (کاربردی) است که به سطح ولتاژ، جریان خطای تک‌فازی زمینی، سطح ولتاژ بیش از حد و طرح‌های حفاظتی رله‌ای نزدیک است. این یک موضوع فنی پیچیده است که به طور کلی می‌توان آن را به دو دسته تقسیم کرد:

• سیستم‌های غیرمتصل: شامل سیستم‌های بدون زمین‌بندی، زمین‌بندی با کویل پیترسن (کویل خنثی‌کننده قوس) و زمین‌بندی با مقاومت بالا؛

• سیستم‌های متصل: شامل زمین‌بندی مستقیم و زمین‌بندی با مقاومت پایین.

برق تامین شده از شبکه ملی به راه‌آهن به طور کلی از کنفیگوراسیون متعادل بدون زمین‌بندی استفاده می‌کند. مدارهای تغذیه‌ای از زیرستانیون‌ها و ایستگاه‌های توزیع معمولاً مستقیماً از باربر ثانویه (واقع بعد از باربر ورودی ولی قبل از تنظیم‌کننده ولتاژ) تپی می‌شوند، بنابراین از سیستم متعادل بدون زمین‌بندی استفاده می‌کنند. برای خطوط تغذیه عبوری، روش زمین‌بندی ترانسفورماتور تنظیم‌کننده ولتاژ ممکن است بر اساس نیازهای واقعی انتخاب شود.

با توجه به اینکه سیستم‌های برق راه‌آهن با سرعت بالا معمولاً از زمین‌بندی با مقاومت پایین استفاده می‌کنند، سیستم‌های راه‌آهن با سرعت معمولی عموماً از کنفیگوراسیون متعادل بدون زمین‌بندی استفاده می‌کنند. اگرچه این رویکرد مزایایی دارد، اما استانداردهای ایمنی در حال تکامل و به‌روزرسانی‌های فنی مداوم نیاز به بازنگری استراتژی‌های زمین‌بندی در زمینه عملیات امروزی را می‌طلبد.

۲. مزایا و محدودیت‌های سیستم‌های متعادل بدون زمین‌بندی

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

به دلیل محدودیت‌های بودجه و امکانات فنی، بیشتر خطوط تغذیه عبوری راه‌آهن با سرعت معمولی فعلی به طور اصلی از هادی‌های هوایی یا کنفیگوراسیون‌های هیبریدی با غالب هوایی استفاده می‌کنند. بنابراین، طرح‌های زمین‌بندی متعادل آنها معمولاً سیستم‌های بدون زمین‌بندی یا زمین‌بندی با جریان کوچک را اتخاذ می‌کنند. طبق ماده ۶۹ قوانین مدیریت برق راه‌آهن، خطاهای تک‌فازی زمینی در چنین سیستم‌هایی باید به سرعت رسیدگی شود و مدت زمان مجاز برای عملیات خطا معمولاً بیش از ۲ ساعت نمی‌شود.

داده‌های عملیاتی یک بخش خاص از یک اداره راه‌آهن بین ماه‌های ژانویه تا اکتبر ۲۰۲۳، ۱۵۲ بار خاموشی را ثبت کرد، که ۱۵ مورد آن خطاهای مربوط به تجهیزات بود (۲ مورد به علت داخلی و ۱۳ مورد به علت خارجی). به ویژه، خطرات محیطی—به ویژه تجاوز گیاهان—تهدید اصلی برای پایداری خطوط هوایی هستند. در یک حادثه، شاخه‌های درخت به منطقه ایمنی نفوذ کردند و اتصال جزئی فاز-زمین را در یک هادی جانبی ایجاد کردند. خطا در مدت ۲ ساعت شناسایی و حل شد و هیچ تأثیری بر عملیات قطار و شکست‌های لانه‌ای نداشت. این نشان می‌دهد که تحت شرایط فنی موجود، سیستم‌های متعادل بدون زمین‌بندی مزایای عملی دارند.

اما خطوط کابلی چالش‌های متفاوتی دارند. در مقایسه با خطوط هوایی، کابل‌های برق دامنه‌های عایق‌بندی کمتری دارند و تحمل ولتاژ بیش از حد محدود است. در صورت خطای تک‌فازی زمینی در یک سیستم بدون زمین‌بندی، ولتاژ فاز‌های سالم بالاتر از سطح عادی فاز-زمین می‌شود—ممکن است به سطح فاز-به-فاز برسد—که احتمال شکست چند نقطه‌ای عایق‌بندی در فاز‌های بدون خطا را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، جریان‌های خطا زمینی ظرفیتی در سیستم‌های کابلی نسبتاً بزرگ هستند که منجر به تخریب سریع عایق‌بندی در محل خطا و احتمال تبدیل به خطا فاز-به-فاز می‌شود.

چون کابل‌ها معمولاً از طریق روش‌های دفن، لوله یا تری مونتاژ می‌شوند، محل خطا مشخص کردن آن دشوار است. با توجه به محدودیت‌های تکنیک‌های اتصال کابل، منابع تعمیر و پنجره‌های عملیاتی راه‌آهن، چنین خطاها معمولاً نمی‌توانند به سرعت حل شوند. در عمل، خرابی‌های کابلی عمدتاً به دلیل خرابی دائمی عایق‌بندی هستند—مواد عایق‌بندی آلی نمی‌توانند خود را بازیابی کنند. در یک سیستم بدون زمین‌بندی، عدم قطع فوری جریان خطا اجازه می‌دهد تا جریان خطا به طولانی مدت ادامه یابد، که منجر به خرابی شدید عایق‌بندی، گسترش منطقه خطا و احتمالاً مسائل ثانویه مانند هشدارهای صفحه نمایش برق یا حتی خطا "نوار قرمز" که خدمات قطار را مختل می‌کند—گاهی اوقات منجر به خاموشی‌های طولانی مدت و خطرات ایمنی یا روابط عمومی قابل توجه می‌شود.

۳. انتخاب روش‌های زمین‌بندی متعادل برای سیستم‌های برق راه‌آهن با سرعت معمولی

انتخاب روش زمین‌بندی متعادل مناسب برای عملیات پایدار برق راه‌آهن بسیار مهم است. چالش اصلی در تعادل بین موارد زیر است:

• کاهش قطعات غیر ضروری ناشی از اختلالات خارجی،

• تحقيق تامين برق مستمر به بارهای حیاتی،

• امکان حفاظت مؤثر از خطا،

• کنترل انتقال خطا، و

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

طبق کد طراحی برق راه‌آهن (TB 10008–2015)، برای خطوط تغذیه عبوری ۱۰(۲۰) kV که از طریق تنظیم‌کننده‌های ولتاژ تامین می‌شوند، راهنمایی‌های زمین‌بندی زیر وجود دارد:

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

• اگر جریان ≤ ۱۵۰ آمپر باشد، می‌توان از زمین‌سازی مقاومت پایین یا زمین‌سازی با کویل خنثی‌سازی خطا استفاده کرد؛ اگر > ۱۵۰ آمپر باشد، زمین‌سازی مقاومت پایین توصیه می‌شود.

• خطوط کاملاً کابلی باید بهترین گزینه برای آن‌ها زمین‌سازی مقاومت پایین باشد.

• برای زمین‌سازی مقاومت پایین، مقاومت زمین‌سازی باید به گونه‌ای انتخاب شود که جریان خطا تک‌فازی بین ۲۰۰ تا ۴۰۰ آمپر باشد و در صورت تشخیص خطا، قطع فوری صورت گیرد.

در مقابل، کد طراحی راه‌آهن با سرعت بالا (TB ۱۰۶۲۱–۲۰۱۴) اجازه می‌دهد که سیستم‌های نوترال بدون زمین‌سازی استفاده شوند وقتی جریان ظرفیتی خطا ≤ ۳۰ آمپر باشد، با جبران از طریق راکتور زمین‌سازی نوترال.

بر اساس محاسبات موجود در دستورالعمل‌های استاندارد مهندسی قدرت راه‌آهن، طول‌های کابلی مجاز برای کابل‌های آلومینیومی معمول (با سطح مقطع ۷۰ میلی‌متر مربع و ۹۵ میلی‌متر مربع) که متناظر با جریان‌های ظرفیتی خطا تک‌فازی ۱۰ آمپر، ۳۰ آمپر، ۶۰ آمپر، ۱۰۰ آمپر و ۱۵۰ آمپر هستند، در جدول ۱ خلاصه شده‌اند. این مقادیر می‌توانند در انتخاب روش مناسب زمین‌سازی بر اساس طول واقعی کابل‌ها راهنمایی کنند.

آریزش از طریق نقطه خنثی امکان رفع سریع عیب را فراهم می‌کند. حفاظت دنباله صفر می‌تواند در بازه زمانی ۰/۲ تا ۲/۰ ثانیه عمل کند تا عیب را جدا کند، احتمال وقوع حوادث الکتریکی دائمی ثانویه را کاهش می‌دهد و قابلیت اطمینان و طول عمر تجهیزات الکتریکی را حفظ می‌کند.

۴. مقایسه روش‌های متداول آریزش خنثی

۴/۱ سیستم خنثی بدون آریزش

روش خنثی بدون آریزش مزیت تامین برق به مدت ۱-۲ ساعت در هنگام عیب‌های تک‌فازی در خطوط مسلط به هواپخش را دارد. با این حال، در خطوط مسلط به کابل، این روش معمولاً منجر به تشدید عیب می‌شود.

۴/۲ آریزش خنثی از طریق پیچه خاموش‌ساز

در مقایسه با سیستم خنثی بدون آریزش، این روش از جریان القایی پیچه خاموش‌ساز برای جبران جریان خازنی استفاده می‌کند، جریان عیب زمینی را به سطحی کاهش می‌دهد که خودبه‌خود خاموش شود، بدین ترتیب ولتاژ‌های اضافی ناشی از قوس الکتریکی را کاهش می‌دهد. همچنین این روش اجازه عملکرد مداوم به مدت ۱-۲ ساعت در هنگام عیب‌های تک‌فازی را می‌دهد و از تبدیل شدن عیب تک‌فازی به عیب دو فازی جلوگیری می‌کند. با این حال، این روش نیازمند الزامات بالاتری برای حفاظت از عیب‌های زمینی است، نمی‌تواند خط عیبی را شناسایی کند، مشکل‌ساز در مورد هم‌رزی است و نمی‌تواند بارهای باقی‌مانده روی خط را به‌طور موثر خارج کند.

۴/۳ آریزش خنثی از طریق مقاومت پایین

در خطوط مسلط به کابل، روش آریزش خنثی با مقاومت پایین به‌طور مؤثر ولتاژ‌های اضافی ناشی از قوس زمینی در هنگام عیب‌های تک‌فازی را کنترل می‌کند، ولتاژ‌های اضافی ناشی از هم‌رزی سیستم را کاهش می‌دهد، تأثیرات محدودکننده جریان و کاهنده ولتاژ خوبی دارد و عملکرد محافظت دنباله صفر بالاتری دارد که موجب رفع به‌موقع عیب می‌شود. با این حال، این روش محدودیت‌هایی دارد، به‌خصوص در بخش‌های خط هوایی: افزایش فرکانس قطع برق عملیات سیستم برق را تحت تأثیر قرار می‌دهد، قابلیت تامین برق را ضعیف می‌کند و در حدی از دشواری‌های نگهداری تجهیزات افزوده می‌کند.

۵. بحث درباره روش‌های آریزش خنثی در سیستم‌های برق ریلی

(۱) افزایش استفاده از دستگاه‌های خودکار پیچه خاموش‌ساز ردیاب. این روش مزیت حذف خودکار عیب‌های گذرا در سیستم برق را دارد، بدین ترتیب تعداد قطع‌های برق را کاهش می‌دهد. وقتی سیگنال هشدار عیب صادر می‌شود، پیچه خاموش‌ساز خودکار جریان جبرانی متناسب تولید می‌کند که موجب جبران مجدد خط برق می‌شود. این امر موجب کاهش وقوع عیب‌های کوتاه‌مداری در سه فاز و تضمین پایداری و ایمنی سیستم می‌شود. همزمان، چون دستگاه خاموش‌ساز دارای مقدار بحرانی خاصی برای خاموش کردن قوس الکتریکی است، اگر جریان عیب زمینی کوچک‌تر از این مقدار بحرانی باشد، سرعت بازیابی ولتاژ تحت تأثیر دستگاه خاموش‌ساز افزایش می‌یابد که موجب خاموش شدن قابل اعتماد قوس الکتریکی و کاهش احتمال ایجاد مجدد قوس می‌شود، بدین ترتیب حوادث برق را کاهش می‌دهد و به عملیات آریزش خنثی قابل اعتماد کمک می‌کند.

(۲) در هنگام بازسازی خطوط تغذیه‌ی عبوری سرعت معمولی و خطوط سیگنال‌رسانی خودکار، اگر خطوط کابلی - پس از جایگزینی خطوط هوایی - درصد قابل توجهی از خط را تشکیل می‌دهند، توصیه می‌شود به جبران متمرکز یا پراکنده با استفاده از واکنش‌گرهای جعبه‌ای برای جبران توان واکنشی القایی در شرایط جریان خازنی معمولی فکر شود. بر اساس محاسبات موجود در جدول ۲، مقادیر ظرفیت عملیاتی ۰/۲۲ میکروفاراد بر کیلومتر برای کابل آلومینیومی ۷۰ میلی‌متر مربع و ۰/۲۴ میکروفاراد بر کیلومتر برای کابل آلومینیومی ۹۵ میلی‌متر مربع است. همزمان، باید به تغییرات سازگاری در اتاق‌های توزیع فکر شود و روش‌های آریزش خنثی تنظیم‌کننده‌های ولتاژ در اتاق‌های توزیع دو طرف بر اساس داده‌های محاسبه‌شده تنظیم شود.

در شرایط بسیار نامساعد، اگر سیستم بدون زمین‌بندی باشد و از کابل‌های تک‌لوله‌ای مطابق استانداردهای راه‌آهن با سرعت بالا استفاده شود، خطا تک‌فازی زمینی در طول پنجره مجاز ۲ ساعته خاتمه نخواهد یافت. این وضعیت منجر به آسیب حرارتی مداوم کابل می‌شود. علاوه بر این، پس از آسیب دیدن کابل تک‌لوله‌ای، تأثیر آن بر فازهای مجاور نسبتاً ضعیف است، که با عدم تحریک قطع حفاظتی، وضعیت را بدتر می‌کند و می‌تواند به راحتی منجر به خرابی‌های سیستمیک شود.

۶. نتیجه‌گیری

در سیستم‌های برق راه‌آهن با سرعت معمولی، انتخاب روش زمین‌بندی متعادل مستقیماً بر ایمنی و ثبات عملکرد سیستم تأثیر می‌گذارد. انتخاب نامناسب روش زمین‌بندی متعادل می‌تواند به راحتی منجر به خطاها ثانویه و حوادث متسلسل شود. از طریق محاسبه و تحلیل مقایسه‌ای، انتخاب جامع و منطقی روش زمین‌بندی متعادل برای رفع مؤثر خطاها، حفظ عایق‌بندی تجهیزات، تضمین تأمین برق مطمئن جرثقیلی و افزایش ایمنی شخصی و عملیات قطار اهمیت بسیاری دارد.