Métodos de aterramento neutro para sistemas eléctricos de ferrocarril de velocidade convencional

Os sistemas de enerxía ferroviaria compónense principalmente de liñas de sinalización automática por bloques, liñas de alimentación en tránsito, subestacións e postos de distribución ferroviarios, e liñas de suministro de enerxía. Proporcionan electricidade ás operacións ferroviarias críticas, incluíndo sinalización, comunicacións, sistemas de material rodante, xestión de pasaxeiros nas estacións e instalacións de manutención. Como parte integrante da rede eléctrica nacional, os sistemas de enerxía ferroviaria exhiben características distintivas tanto da enxeñaría eléctrica como da infraestrutura ferroviaria.

Fortalecer a investigación sobre os métodos de aterramento neutro para os sistemas de enerxía ferroviaria de velocidade convencional —e considerar comprehensivamente estes métodos durante o deseño, a construción e a operación— é moi significativo para mellorar a seguridade e a fiabilidade do suministro de enerxía ferroviaria.

1. Visión xeral dos métodos de aterramento neutro nos sistemas de enerxía ferroviaria

O método de aterramento neutro nos sistemas de enerxía ferroviaria refírese xeralmente á configuración de aterramento dos transformadores —unha forma de aterramento funcional (de traballo) estreitamente vinculada ao nivel de tensión, á corrente de falla monofásica ao terra, aos niveis de sobretensión e aos esquemas de protección por relés. É un problema técnico complexo que pode clasificarse ampliamente en:

• Sistemas non sólidamente aterrados: incluíndo sistemas sen aterramento, aterrados con bobina de supresión de arcos (bobina Petersen) e aterrados con resistencia alta;

• Sistemas sólidamente aterrados: incluíndo aterramento directo e aterramento con resistencia baixa.

A enerxía suministrada desde a rede eléctrica nacional aos ferrocarrís adopta universalmente unha configuración de neutro sen aterramento. As liñas de alimentación dende as subestacións e postos de distribución ferroviarios suelen derivarse directamente da barra secundaria (ubicada despois da barra de entrada de enerxía pero antes do regulador de tensión), polo que tamén empregan un sistema de neutro sen aterramento. Para as liñas de alimentación en tránsito, o método de aterramento do transformador regulador de tensión pode ser seleccionado segundo as necesidades reais.

A diferenza dos sistemas de enerxía ferroviaria de alta velocidade, que comúnmente usan aterramento con resistencia baixa, os sistemas de velocidade convencional utilizan predominantemente configuracións de neutro sen aterramento. Aínda que este enfoque ofrece certas vantaxes, as normas de seguridade evolutivas e as actualizacións técnicas continuas xustifican a reevaluación das estratexias de aterramento no contexto operativo actual.

2. Vantaxes e limitacións dos sistemas de neutro sen aterramento

Segundo o Código de Deseño de Enerxía Ferroviaria (TB 10008–2015), a configuración das liñas de alimentación en tránsito debe determinarse baseándose na fiabilidade do suministro de enerxía e nas condicións específicas do proxecto, usando liñas híbridas de cable aéreo ou liñas de cable totalmente subterraneas.

Debido a restricións orzamentarias e viabilidade técnica, a maioría das liñas de alimentación en tránsito operativas de velocidade convencional confían actualmente principalmente en conductores aéreos ou en configuracións híbridas dominadas por conductores aéreos. En consecuencia, os seus esquemas de aterramento neutro adoitan adoptar sistemas de neutro aislado (sen aterramento) ou sistemas de aterramento de corrente pequena. Segundo o Artigo 69 do Reglamento de Xestión de Enerxía Ferroviaria, as fallas monofásicas ao terra neste tipo de sistemas deben resolverse rapidamente, co tempo de funcionamento permitido en caso de falla xeralmente non excedendo as 2 horas.

Os datos operativos dun segmento específico de unha administración ferroviaria entre xaneiro e outubro de 2023 rexistraron 152 cortes de enerxía, dos cales 15 foron fallos relacionados co equipo (2 atribuíbles a responsabilidade interna, 13 a factores externos). Notablemente, os perigos ambientais, especialmente a invasión da vegetación, son a principal ameaza á estabilidade das liñas aéreas. Nún incidente, as ramas dunha árbore penetraron na zona de liberación, provocando unha conexión parcial fase-a-terra nun conductor lateral. O fallo foi identificado e resolto dentro do período de 2 horas, evitando calquera impacto nas operacións ferroviarias e previniendo fallos en cadea. Isto demostra que, baixo as condicións técnicas existentes, os sistemas de neutro sen aterramento ofrecen beneficios prácticos.

No entanto, as liñas de cable presentan diferentes desafíos. Comparado cos conductores aéreos, os cables de enerxía teñen márgenes de aislamento menores e menor tolerancia a sobretensións. Durante un fallo monofásico ao terra nun sistema sen aterramento, as tensións das fases sanas aumentan por riba do nivel normal fase-a-terra —potencialmente alcanzando a tensión entre fases—, aumentando o risco de rotura de aislamento multi-punto nas fases non faltosas. Ademais, as correntes de fallo ao terra capacitivo nos sistemas de cable son relativamente grandes, levando a un rápido deterioro do aislamento no punto de fallo e a unha alta probabilidade de evolucionar a curtocircuitos entre fases.

Dado que os cables xeralmente se instalan mediante métodos de enterrado, canalización ou bandeja, a localización de fallos é difícil. Combinado con as restricións nas técnicas de unión de cables, a logística de reparación e as ventanas operativas ferroviarias, tales fallos a miúdo non poden resolverse rapidamente. Na práctica, os fallos de cable son predominantemente debido a unha ruptura permanente do aislamento —os materiais de aislamento orgánicos non poden recuperarse por si mesmos. Nun sistema sen aterramento, a falta de disparo inmediato permite correntes de fallo prolongadas, causando danos graves no aislamento, expandindo a zona de fallo e potencialmente desencadeando problemas secundarios, como alarmas de pantalla de enerxía ou incluso fallas de sinal "banda vermella" que interrompen os servizos ferroviarios, a veces resultando en cortes prolongados e riscos significativos de seguridade ou de relacións públicas.

3. Selección de métodos de aterramento neutro para os sistemas de enerxía ferroviaria de velocidade convencional

A selección do método de aterramento neutro adecuado é crítica para a operación estable da enerxía ferroviaria. O desafío central está en equilibrar:

• Minimizar o disparo innecesario causado por perturbacións externas,

• Assegurar o suministro ininterrumpido de enerxía ás cargas críticas,

• Permitir a protección eficaz contra fallos,

• Controlar a propagación de fallos, e

• Mantener a integridade eléctrica e de aislamento do equipamento sano durante os fallos.

Segundo o Código de Deseño de Enerxía Ferroviaria (TB 10008–2015), para as liñas de alimentación en tránsito de 10(20) kV suministradas a través de reguladores de tensión, aplícanse as seguintes pautas de aterramento:

• Se a corrente capacitiva de falso contacto unifásico ≤ 10 A, debe utilizarse un sistema no terra.

• Se a corrente ≤ 150 A, pódese adoptar o terra de baixa resistencia ou o terra con bobina de supresión de arcos; se > 150 A, recoméndase o terra de baixa resistencia.

• As liñas completamente baseadas en cables deben preferentemente usar o terra de baixa resistencia.

• Para o terra de baixa resistencia, o resistor de terra debe seleccionarse para obter unha corrente de falso contacto unifásico de 200–400 A, con desligamento instantáneo ao detectar o falso contacto.

En contraste, o Código de deseño de ferrocarríos de alta velocidade (TB 10621–2014) permite sistemas neutros non terraos cando a corrente capacitiva de falso contacto ≤ 30 A, coa compensación proporcionada por un reactor teraado no neutro.

Baseándose nos cálculos dos manuais estándar de enxeñaría eléctrica ferroviaria, as lonxitudes máximas permitidas para os cabos comúns de núcleo de aluminio (seccións transversais de 70 mm² e 95 mm²) correspondentes ás correntes capacitivas de falso contacto unifásico de 10 A, 30 A, 60 A, 100 A e 150 A resúmense na Táboa 1. Estes valores poden guiar a selección do método de terra adecuado en función da lonxitude real do cabo.

A terraçado polo punto neutro permite unha rápida eliminación de fallos. A protección de secuencia cero pode operar en 0,2–2,0 segundos para aislar o fallo, reducindo a probabilidade de incidentes eléctricos secundarios permanentes e protexendo a fiabilidade do aislamento e a vida útil dos equipos eléctricos.

4. Comparación de métodos comúns de terraçado do neutro

4.1 Sistema con neutro non terraçado

O método de neutro non terraçado ofrece a vantaxe de suministro continuo de enerxía durante 1-2 horas durante fallos de terra unifásicos en liñas dominadas por conductores aéreos. No entanto, en liñas dominadas por cables, este método tende a causar unha escalada de fallos.

4.2 Terraçado do neutro mediante bobina supresora de arcos

Comparado co sistema de neutro non terraçado, este método usa a corrente inductiva da bobina supresora de arcos para compensar a corrente capacitiva, reducindo a corrente de fallo a terre a un nivel que pode extinguirse por si mesma, minimizando así as sobretensións inducidas por arcos. Tamén permite 1-2 horas de funcionamento continuo durante fallos de terra unifásicos e evita que os fallos unifásicos se desenvolvan en fallos entre fases. No entanto, este método impón requisitos máis altos na protección contra fallos a terre, non pode identificar a liña defectuosa, é propenso á resonancia e non pode descargar eficazmente as cargas residuais na liña.

4.3 Terraçado do neutro mediante baixa resistencia

En liñas dominadas por cables, o método de terraçado de baixa resistencia controla eficazmente as sobretensións de arco a terre durante fallos de terra unifásicos, suprime as sobretensións de ressonancia do sistema, ofrece boas capacidades de limitación de corrente e redución de tensión, e proporciona un rendemento relativamente alto na protección de sobrecorrente de secuencia cero, facilitando a eliminación oportuna de fallos. No entanto, este método ten limitacións, especialmente nas seccións de liña aérea: o aumento da frecuencia de salto afecta a operación do sistema de enerxía, debilita a capacidade de suministro de enerxía e aumenta a dificultade de manutención do equipo nun certo grao.

5. Discusión sobre métodos de terraçado do neutro para sistemas de enerxía ferroviaria

(1) Mejorar a utilización de dispositivos de bobina supresora de arcos con seguimiento automático. Este enfoque ten a vantaxe de eliminar automaticamente os fallos de terra transitórios no sistema de enerxía, reducindo así o número de saltos. Cando se emite unha señal de alarma de fallo, a bobina supresora de arcos con seguimiento automático xera unha corrente de compensación correspondente, permitindo unha nova compensación da liña de enerxía. Isto reduce a ocorrencia de fallos de curto circuito entre as tres fases e asegura a estabilidade e seguridade do sistema. Entretanto, xa que o dispositivo de supresión de arcos ten un valor crítico específico para a extinción de arcos, se a corrente de fallo a terre é menor que este valor crítico, a velocidade de recuperación da tensión aumenta baixo a acción do dispositivo de supresión de arcos, axudando a extinguir o arco de maneira confiable e reducindo a probabilidade de reencendido do arco, diminuíndo así os incidentes de enerxía e apoiando eficazmente a operación de terraçado neutral confiable.

(2) Durante a renovación das liñas de alimentación convencionais de alta velocidade e sinalización automática existentes, se as liñas de cable—despois de substituír as liñas aéreas—constitúen unha proporción significativa, recoméndase considerar a compensación centralizada ou distribuída utilizando reactores en caja para compensar a potencia reactiva inductiva en condicións normais de corrente capacitiva. Segundo os resultados de cálculo na Táboa 2, os valores de capacitancia de operación son 0,22 μF/km para o cable de núcleo de aluminio de 70 mm² e 0,24 μF/km para o cable de núcleo de aluminio de 95 mm². Ao mesmo tempo, debe considerarse a adaptación das salas de distribución, e os métodos de terraçado do neutro dos reguladores de tensión nas salas de distribución de ambos os lados deben ser axustados en consecuencia segundo os datos calculados.

En casos extremos, se o sistema non está aterrado e utilizanse cables de un só núcleo que cumprin coas normas de ferrocarril de alta velocidade, unha falla de terra monofásica non será eliminada dentro da xanela permisible de 2 horas. Isto causa danos térmicos continuos ao cable. Ademais, despois de que un cable de un só núcleo é danado, o seu impacto nas fases adxacentes é relativamente débil, agravando a situación ao non provocar o salto protexido, o cal pode levar facilmente a fallos sistémicos.

6. Conclusión

Nas sistemas de enerxía eléctrica de ferrocarrils de velocidade convencional, a selección do método de aterramento neutro afecta directamente á seguridade e estabilidade da operación do sistema. Unha elección inapropiada do esquema de aterramento neutro pode resultar facilmente en fallos secundarios e incidentes en cadea. A través do cálculo e análise comparativa, unha selección comprehensiva e racional do método de aterramento neutro ten gran significado para eliminar eficazmente os fallos, protexer o aillamento do equipo, asegurar un fornecemento de enerxía de tracción fiable e mellorar a seguridade da operación tanto de persoal como de trens.