Perinteisen nopeuden rautatiejärjestelmien neutraalin maan yhdistämismenetelmät
Rautatieverkkojen sähköjärjestelmät koostuvat pääasiassa automaattisista lohkoperiaatteisiin perustuvista liikennemerkkijärjestelmistä, läpäisevistä voimalijoista, rautatie-alajännitteistä ja -jakelustaasista sekä saapuvalta sähköntuotannolta. Ne tarjoavat sähköä kriittisille rautatieoperaatioille, mukaan lukien merkintäjärjestelmät, viestintä, ajoneuvon järjestelmät, asemien matkustajankäsittely ja huoltoasemat. Osana kansallista sähköverkkoa rautatieverkkojen sähköjärjestelmillä on erityisiä ominaisuuksia, jotka liittyvät sekä sähkötekniikkaan että rautateiden infrastruktuuriin.
Perinteisten nopeuden rautatieverkkojen neutraalipisteen kytkennän tutkimuksen tukeminen ja näiden menetelmien huomioon ottaminen suunnittelussa, rakentamisessa ja toiminnassa on erittäin tärkeää rautatieverkon sähköntoimituksen turvallisuuden ja luotettavuuden parantamiseksi.
1. Yleiskatsaus rautatieverkkojen neutraalipisteen kytkennöistä
Rautatieverkkojen neutraalipisteen kytkentä tarkoittaa yleensä muuntimien kytkennän kokoonpanoa—tämä on toiminnallista (työkytkentää) jota tiiviisti yhdistää jännitetaso, yksivaiheinen maajohde, ylikirjoitus ja suojarelejärjestelmät. Se on monimutkainen tekninen kysymys, joka voidaan yleisesti jakaa seuraaviin ryhmiin:
Epäsuorasti kytkettyjä järjestelmiä: mukaan lukien epäkytketty, kaasuvaaimu (Petersen'n kehä) kytketty ja korkea vastus kytketty;
Suorasti kytkettyjä järjestelmiä: mukaan lukien suora kytkentä ja alhainen vastus kytketty.
Sähkö, joka tuodaan kansallisesta sähköverkosta rautateihin, käyttää yleisesti epäkytettyä neutraalipistettä. Rautatie-alajännitteiden ja -jakelustaasien väliset johtotiet ovat yleensä napautuneet suoraan toissijaosta (sijaitsee saapuvalta sähköntuotannolta mutta ennen jänniteohjainta), joten ne myös käyttävät epäkytettyä neutraalipistettä. Läpäiseville linjoille neutraalipisteen kytkennän valinta voi tapahtua todellisen tarpeen mukaan.
Erittäin nopeiden rautatieverkkojen sähköjärjestelmissä, jotka yleisesti käyttävät alhaisen vastuksen kytkentää, perinteiset nopeuden rautatiejärjestelmät käyttävät pääasiassa epäkytettyä neutraalipistettä. Vaikka tämä lähestymistapa tarjoaa joitakin etuja, turvallisuusstandardien ja teknisten päivitysten kehitys vaatii uudelleenarviointia nykyisessä toimintaympäristössä.
2. Epäkytetyn neutraalipisteen järjestelmien etu- ja haittapuoli
Rautatieenergian suunnittelun ohjeissa (TB 10008–2015) sanotaan, että läpäisevien linjojen konfiguraatiota pitäisi määritellä sähköntoimituksen luotettavuuden ja projektikohtaisen tilanteen mukaan, käyttäen joko ilmakappale-kaapelihybridi-linjoja tai täysin maanalaisia kaapelilinjoja.
Budjetin rajoituksien ja teknisen toteutettavuuden vuoksi useimmat nykyiset perinteisen nopeuden rautatieverkkot tukevat pääasiassa ilmakappalejohtoja tai ilmakappalepohjaisia hybridi-konfiguraatioita. Tämän vuoksi niiden neutraalipisteen kytkennät ovat yleensä eristetty (epäkytetty) tai pieni virran kytkennät. Rautatieenergian hallintasäännöissä artiklassa 69 sanotaan, että yksivaiheiset maajohdot tällaisissa järjestelmissä on käsiteltävä pikaisesti, ja sallittu vika-aika ei yleensä saa ylittää 2 tuntia.
Tietyltä rautatievirastovaliokelta kerätty toimintatieto tammikuusta lokakuuhun 2023 osoitti 152 sähkökatkosta, joista 15 oli laitteen aiheuttamia (2 sisäisestä vastuusta, 13 ulkoisista tekijöistä). Erityisesti ympäristön vaarat, erityisesti kasvillisuuden leviäminen, muodostavat ensiarvoisen uhkan ilmakappalelinjoille. Yhdessä tapauksessa puun oksat nousivat liikenteen varalle, aiheuttaen osittaisen vaihe-maajohdon sivujohtoon. Vika havaittiin ja korjattiin 2 tunnin ikkunan sisällä, estäen minkään vaikutuksen rautatieoperaatioihin ja kumoamalla kaskoepäonnistumiset. Tämä osoittaa, että olemassa olevilla tekniikan edellytyksillä epäkytetty neutraalipiste tarjoaa käytännön etuja.
Kuitenkin kaapelilinjat asettavat erilaisia haasteita. Ilmakappalelinjojen verrattuna sähkökaapeleilla on pienempi eristysmarginaali ja rajallinen ylikirjoituskyky. Epäkytetyn järjestelmän yksivaiheisessa maajohdossa terve vaiheen jännitteet nousevat yli normaalin vaihe-maajohdon tasoon—mahdollisesti saavuttaen vaihe-vaihe-jännitteen—kasvattamalla monipisteen eristyksen romahdusriskeä epävikavaiheissa. Lisäksi kaapelijärjestelmien kapasitiiviset maajohdinvirrat ovat suhteellisen suuret, mikä johtaa nopeaan eristysmateriaalin heikkenemiseen vikakohdassa ja suurella todennäköisyydellä vaihe-vaihe-sulkuun.
Koska kaapelit asennetaan yleensä maahan, putkiin tai kannella, vian paikanmääritys on vaikeaa. Yhdistettyihin kaapeliasentamistekniikoihin, korjauksen logistiikkaan ja rautatieoperaatioiden ikkuneihin liittyvien rajoitusten vuoksi näitä vikoja ei usein pystytä korjaamaan nopeasti. Käytännössä kaapeliviat johtuvat pääasiassa pysyvistä eristysromahduksista—orgaaniset eristysmateriaalit eivät pysty itse palautumaan. Epäkytetessä järjestelmässä puuttuva välitön katkaisu mahdollistaa vikavirran jatkuminen, mikä aiheuttaa vakavan eristysvaurion, laajentaa vikavyöhykettä ja voi aiheuttaa toissijaisia ongelmia, kuten sähköruudun hälytykset tai jopa "punainen vyöhyke" -merkkivirheet, jotka häiritsevät rautatiepalveluita—joskus johtuen pitkäkestoisista katkoista ja merkittävistä turvallisuus- tai yleishyödyllisistä riskeistä.
3. Neutraalipisteen kytkennän valinta perinteisen nopeuden rautatieverkkoihin
Oikean neutraalipisteen kytkennän valinta on olennainen osa vakaiden rautatieverkkojen sähköntoimitusta. Ydinhaaste on tasapainottaa:
Vähentää tarpeettomia katkaisuja ulkopuolisten häiriöiden aiheuttamana,
Varmistaa keskeisten kuormien sähköntoimituksen,
Mahdollistaa tehokkaan vikansuojauksen,
Hallita vian levittymistä, ja
Ylläpitää terveiden laitteiden sähköisen ja eristysmateriaalin koskemattomuuden vioissa.
Rautatieenergian suunnittelun ohjeissa (TB 10008–2015) sanotaan, että 10(20) kV läpäiseville linjoille, jotka toimitetaan jänniteohjaimien kautta, sovellettavat kytkennän ohjeet ovat:
Jos yksivaiheinen maajätekapasitiivinen virta ≤ 10 A, on käytettävä maamätöntä järjestelmää.
Jos virta ≤ 150 A, voidaan käyttää joko pienitahdin maayhdistys- tai kaasunvaimennuskyynärin maayhdistystä; jos > 150 A, suositellaan pienitahdin maayhdistystä.
Kokonaan kaapeliperustaisissa linjoissa tulisi käyttää pienitahdin maayhdistystä.
Pienitahdista maayhdistyksessä maayhdistysresistori tulisi valita siten, että yksivaiheinen maajätevirta on 200–400 A, ja siihen liittyy välittömästi havaittua vikaa seuraava katkaisu.
Toisin kuin Nopeiden rautateiden suunnittelumääräykset (TB 10621–2014) sallivat maamätöntä neutraalijärjestelmää, kun maajätekapasitiivinen virta ≤ 30 A, kompensoitu neutraali-maayhdistyskyynärillä.
Perinteisten rautatieenergiakäsikirjojen laskujen mukaan yleisimpien alumiininytymäkaapelin (70 mm² ja 95 mm² poikkileikkaus) maksimisallitut pituudet yksivaiheisen maajätekapasitiivisen virran 10 A, 30 A, 60 A, 100 A ja 150 A vastaavilla tasoilla on tiivistetty Taulukossa 1. Nämä arvot voivat ohjata asianmukaisen maayhdistystavan valintaa todellisen kaapelin pituuden perusteella.
Järjestysnumero Kolmijohdinkaablin yksivaiheisen maadoituksen kapasitiivinen virta (A) Kolmijohdinkaablin keskimääräinen kapasitiivinen virta, poikkileikkaus 70 mm² (A/km) Vastaava kaapelin pituus (km) Kolmijohdinkaablin keskimääräinen kapasitiivinen virta, poikkileikkaus 95 mm² (A/km) Vastaava kaapelin pituus (km) 1 10 0,9 11,11 1,0 10,00 2 30 0,9 33,33 1,0 30,00 3 60 0,9 66,67 1,0 60,00 4 100 0,9 111,11 1,0 100,00 5 150 0,9 166,67 1,0 150,00 Maanjohtimella tapahtuva maanjäristys mahdollistaa nopean sijaintiongelman poistamisen. Nollajärjestelmän suoja voidaan aktivoida 0,2–2,0 sekunnissa eristääkseen ongelman, mikä vähentää toissijaisen pysyvän sähköongelman todennäköisyyttä ja suojaa sähkövarusteiden eristyksen luotettavuutta ja käyttöikää.
4. Yleisten neutraalimaanitapojen vertailu
4.1 Maanjäristämätön neutraalisysteemi
Maanjäristämätön neutraalimenetelmä tarjoaa etun jatkuvasta sähköntarjonnasta 1–2 tuntia yhden vaiheen maanjäristyksen aikana linjoissa, joita hallitsevat ilmajohtimet. Kuitenkin kaapelijohtamissa linjoissa tämä menetelmä aiheuttaa usein ongelman laajentumista.
4.2 Neutraali maanjäristys kautta kaasusuppression keila
Verrattuna maanjäristämättömään neutraalisysteemiin tämä menetelmä käyttää kaasusuppression keilan induktiivista virtaa kompensoimaan kapasitiivinen virta, mikä vähentää maanjäristysvirran tasoa sellaiseksi, että se voi sammutua itsestään, mikä vähentää kaasuindusoituja ylivoltageja. Se myös sallii 1–2 tunnin jatkuvan toiminnan yhden vaiheen maanjäristyksen aikana ja estää yksivaiheisen ongelman kehittymisen vaihe-vaiheiseksi ongelmaksi. Tämä menetelmä asettaa kuitenkin korkeampia vaatimuksia maanjäristyssuojaan, ei pysty tunnistamaan ongelmaa sisältävää linjaa, on altis resonanssille ja ei pysty tehokkaasti purkamaan linjan jäännösvarauksia.
4.3 Neutraali maanjäristys matalalla vastustuksella
Kaapelijohtamissa linjoissa matalavastusmaanjäristysmenetelmä kontrolloi tehokkaasti kaasu-maan ylivoltageja yhden vaiheen maanjäristyksen aikana, rajoittaa järjestelmän resonanssiylivoltageja, tarjoaa hyvät virrannopeusrajoitus- ja jännitealennuseffektit ja tarjoaa suhteellisen korkean nollasekvenssin liian suuren virransuojan, mikä helpottaa ajoitettua ongelman poistamista. Tämä menetelmä kuitenkin asettaa rajoitteita, erityisesti ilmajohtimissa: lisääntyvä katkaisutiheys vaikuttaa sähköjärjestelmän toimintaan, heikentää sähköntarjonnan kykyä ja lisää varusteen huoltoyhteiskuntaa tietyllä tavalla.
5. Keskustelu rautatievoimalaitosten neutraalimaanitavoista
(1) Paranna automaattisen seurantakapasiteettikeilalaiteohjelman käyttöä. Tällä lähestymistavalla on etu automaattisesti poistaa väliaikaisia maanjäristyksiä sähköjärjestelmässä, mikä vähentää katkaisujen määrää. Kun ongelma-alarmi annetaan, automaattinen seurantakapasiteettikeila tuottaa vastaavan kompensoivaan virran, mikä mahdollistaa voimalinjan uudelleenkompensaation. Tämä vähentää kolmen vaiheen lyhytkatkaisuissa esiintymisen ja varmistaa järjestelmän vakauden ja turvallisuuden. Samalla, koska kapasiteettikeila-laitteella on tietty kaasu-sammutusrajapiiri, jos maanjäristysvirta on pienempi kuin tämä rajapiiri, jännitteen palautumisnopeus kasvaa kapasiteettikeila-laitteen vaikutuksesta, mikä auttaa luotettavasti sammuttamaan kaasun ja vähentää kaasu-uudelleenkuuminen, mikä vähentää sähköongelmat ja tukee tehokasta neutraalin maanjäristyksen toimintaa.
(2) Olemassa olevien perinteisten läpivaloavien ja automaattisten lohkoperäisten linjojen uudistuksessa, jos kaapelilinjat—ilman ilmajohtimia—muodostavat merkittävän osan, on suositeltavaa harkita keskitettyä tai hajautettua kompensaatiota laatikkomuotoisten reaktorien avulla normaalien kapasitiivisten virtojen tilanteessa. Laskelmalta 2 nähdään, että toiminnan kapasitanssit ovat 0,22 μF/km 70 mm² alumiinisydämillä ja 0,24 μF/km 95 mm² alumiinisydämillä. Samalla tulisi ottaa huomioon jakeluhuoneiden sopeutettavuuden muutokset, ja jakeluhuoneiden puolilla olevien jännitevuorovaikuttimien neutraalimaanitavat pitäisi säätää laskennan tietojen perusteella.
Serial No. Steady-state capacitive current of three-core cable (A) Average steady-state capacitive current of 70 mm² three-core cable (A/km) Corresponding cable length (km) Average steady-state capacitive current of 95 mm² three-core cable (A/km) Corresponding cable length (km) Capacitive reactive power of cable line (kvar) Inductive reactive power required to compensate 75% of steady-state (kvar) 1 3 0.4 7.5 0.44 6.82 51.96 38.97 2 5 0.4 12.5 0.44 11.36 86.6 64.95 3 10 0.4 25 0.44 22.73 173.2 129.9 4 15 0.4 37.5 0.44 34.09 259.3 194.85 5 30 0.4 75 0.44 68.18 519.6 389.7 Erityisen vakavissa tapauksissa, jos järjestelmä on maamittamaton ja käytössä ovat ydinjohtimet, jotka täyttävät korkean nopeuden rautatiestandardeja, yhden vaiheen maajohde ei pääse poistettua sallitun kahden tunnin aikana. Tämä aiheuttaa jatkuvaa lämpövahinkoa johtimeen. Lisäksi, kun ydinjohtimen on vaurioitunut, sen vaikutus viereisiin vaiheisiin on suhteellisen heikko, mikä pahentaa tilannetta epäonnistumalla herättämästä suoja-irtopysäytys, mikä helposti johtaa järjestelmän laajempaan epäonnistumiseen.
6. Johtopäätökset
Perinteisessä nopeuden rautatievirtajärjestelmässä neutraalin maamittauksen menetelmän valinta vaikuttaa suoraan järjestelmän toiminnan turvallisuuteen ja vakauttaan. Epäasianmukainen neutraalin maamittauksen skeman valinta voi helposti johtaa sekätoista vikaan ja ketjuttuviin tapahtumiin. Laskennan ja vertailuanalyysin avulla neutraalin maamittauksen menetelmän perusteellinen ja järkevä valinta on erittäin tärkeä tehokkaan vianpoistoisen, laitteen eristysturvallisuuden, luotettavan veturivoiman toiminnan ja henkilöstön sekä junaliikenteen turvallisuuden varmistamiseksi.
