Hagyományos sebességű vasúti energiarendszerek neutrális kötési módjai

A vasúti energiaellátási rendszerek főleg automatikus blokkjelzési vonalakból, átmenő tápellátóvonalakból, vasúti alátárgyárakból és elosztási állomásokból, valamint beérkező tápellátóvonalakból állnak. Ezek biztosítják az elektricitást a kritikus vasúti műveletekhez, beleértve a jelzést, kommunikációt, járműrendszer-műveleteket, állomány utaskezelést és karbantartási létesítményeket. A nemzeti hálózat integrált részeként a vasúti energiaellátási rendszerek egyaránt elektromos energiamegoldások és vasúti infrastruktúra jellemzőit mutatják.

A hagyományos sebességű vasúti energiaellátási rendszerek neutrális kapcsolódási módszereinek kutatásának megerősítése, valamint ezek figyelembevétele a tervezés, építés és üzemeltetés során nagyon jelentős a vasúti energiaellátás biztonságának és megbízhatóságának növelése érdekében.

1. A vasúti energiaellátási rendszerek neutrális kapcsolódási módszereinek áttekintése

A vasúti energiaellátási rendszerek neutrális kapcsolódási módja általában a transzformátorok földelési konfigurációját jelenti—ez egy funkcionális (működési) földelés, ami szorosan összefügg a feszültségi szinttel, egyfázisú földkapcsolódási árammal, túlfeszültségi szintekkel és relévédelemmel. Ez egy összetett technikai kérdés, amely két fő csoportba osztható:

• Nem erősen földelve rendszerek: beleértve a nemszármaztatott, ívnyomó (Petersen) körlap földelve, és magas ellenállású földelve rendszereket;

• Erősen földelve rendszerek: beleértve a közvetlen és alacsony ellenállású földelve rendszereket.

A nemzeti hálózattól a vasútig szolgáltatott energia általában nemszármaztatott neutrális konfigurációt használ. A vasúti alátárgyárak és elosztási állomások átmenő tápellátóvonalai általában közvetlenül a másodlagos buszból (ami a beérkező energia busz mögött, de a feszültségregulátor előtt található) vannak csatlakoztatva, tehát ezen is nemszármaztatott neutrális rendszerrel operálnak. Az átmenő tápellátóvonalak esetén a feszültségregulátor földelési módja a tényleges igények szerint kerül kiválasztásra.

Ellentétben a gyorsvasút energiaellátási rendszereivel, amelyek általában alacsony ellenállású földelést használnak, a hagyományos sebességű vasúti rendszerek főleg nemszármaztatott neutrális konfigurációkat alkalmaznak. Bár ez a megoldás bizonyos előnyökkel jár, a fejlődő biztonsági normák és a folyamatos technikai frissítések miatt a földelési stratégiák újraértékelése ma is indokolt.

2. A nemszármaztatott neutrális rendszerek előnyei és korlátai

A Vasúti Energiaellátási Tervezési Szabvány (TB 10008–2015) szerint az átmenő tápellátóvonalak konfigurációja a tápellátás megbízhatóságának és a projekt-specifikus feltételeknek megfelelően határozható meg, felhősből-kábelfelett hibrid vonalak vagy teljesen alacsony kábelfelett vonalak használatával.

Költségvetési korlátozások és technikai megvalósíthatóság miatt a legtöbb jelenleg üzemelő hagyományos sebességű vasúti átmenő tápellátóvonalak főleg felhősből vezetékekre vagy felhősből dominált hibrid konfigurációkra támaszkodnak. Így a neutrális földelési rendszereik általában izolált neutrális (nemszármaztatott) vagy kisáramú földelési rendszerek. A Vasúti Energiaellátási Felügyeleti Szabályzat 69. cikkének megfelelően ilyen rendszerekben az egyfázisú földkapcsolódási hibákat rövidesen kell kezelni, a hiba működési idője általában nem haladhatja meg a 2 órát.

Egy adott vasúti irányítószakasz működési adatai 2023. január és október között 152 áramkimaradást regisztráltak, amelyek közül 15-eszköz-hiba volt (2 belső felelősségre, 13 külső tényezőre). Kiemelten a környezeti veszélyek, különösen a növényzet behatolása fenyegeti a felhősből vezetékek stabilitását. Egy esetben faágak behatolása a tartományba részleges fázis-földkapcsolódást okozott az oldali vezetéken. A hiba azonnal fel lett fedezve és megoldva a 2 órás időkereten belül, így nincs hatásva a vonatműveletekre és elkerülhetőek voltak a további hibák. Ez azt mutatja, hogy a jelenlegi technikai feltételek mellett a nemszármaztatott neutrális rendszerek gyakorlati előnyökkel járnak.

Azonban a kábelvezetékek más kihívásokkal járnak. Összevetve a felhősből vezetékekkel, a kábelvezetékek alacsonyabb izolációs margókkal és korlátozott túlfeszültség-tűrőképességgel rendelkeznek. Egy nemszármaztatott rendszerben egyfázisú földkapcsolódási hiban a rendben lévő fázisok feszültségei a normál fázis-föld szint fölé emelkednek—potenciálisan a fázis-fázis feszültségig—ami növeli a több pontú izolációs romlás kockázatát a nem hibás fáziseknél. Emellett a kábelrendszerekben a kapacitív földkapcsolódási áramok relatíve nagyok, ami gyorsan rombolja az izolációt a hiba helyén, és magas valószínűséggel átalakul phase-to-phase short circuits.

Mivel a kábelek általában temetéses, csőzéses vagy gerenda módszerrel vannak telepítve, a hibahely meghatározása nehéz. Ezenkívül a kábelcsatlakozási technikák, a javítási logisztika és a vasúti üzemidő korlátai miatt ilyen hibák gyakran nem oldhatók meg gyorsan. Gyakorlatilag a kábelhiba főleg állandó izolációs romlás miatt fordul elő—az organikus izolációs anyagok nem tudják megújítani saját magukat. Egy nemszármaztatott rendszerben a hibaáram hosszú ideig folyik, ami súlyos izolációs károkat okoz, bővítve a hibaterületet, és potenciálisan másodlagos problémákat, mint például a tápellátási képernyő riasztásokat vagy akár "piros zóna" jelzési hibákat, amelyek zavarják a vonatműveleteket—néha hosszú ideig tartó kimaradásokkal és jelentős biztonsági vagy közönségi kapcsolati kockázatokkal.

3. A hagyományos sebességű vasúti energiaellátási rendszerek neutrális földelési módszereinek kiválasztása

A megfelelő neutrális földelési mód kiválasztása kulcsfontosságú a stabil vasúti energiaellátás szempontjából. A legfőbb kihívás abban rejlik, hogy:

• Minimizálja a külső zavarok által okozott felesleges áramkimaradásokat,

• Biztosítja a kritikus terhelések folyamatos tápellátását,

• Hatékony hibavédelmet engedélyez,

• Szabályozza a hibák terjedését, és

• Tartja fenn a rendben lévő berendezések elektromos és izolációs integritását a hibák során.

A Vasúti Energiaellátási Tervezési Szabvány (TB 10008–2015) szerint a 10(20) kV átmenő tápellátóvonalak esetén, amelyek feszültségregulátoron keresztül szolgáltatottak, a következő földelési iránymutatások vonatkoznak:

• • Ha az egyfázisú fajlagos áram ≤ 10 A, használjunk fajlagosan nem kötött rendszert.

  • Ha az áram ≤ 150 A, alkalmazható alacsony-ellenállású kötés vagy törikölő tehermentesítő cirkulátor kötés; ha > 150 A, ajánlott az alacsony-ellenállású kötés.

  • A teljesen kábeles vonalak esetén szükséges az alacsony-ellenállású kötés.

  • Az alacsony-ellenállású kötésnél a kötő ellenállást úgy kell kiválasztani, hogy a fajlagos áram 200–400 A legyen, és a hiba észlelésekor azonnal történjen a vágás.

  Ellenben a Gyorsvasút tervezési szabvány (TB 10621–2014) engedélyezi a fajlagosan nem kötött rendszereket, amikor a fajlagos áram ≤ 30 A, neutralizált reaktorral való kompenzációval.

  A szabványos vasúti energiaellátási kézikönyvek számításaival, a gyakori alumíniummagú kábelek (70 mm² és 95 mm² keresztmetszetek) maximálisan megengedett hosszai a 10 A, 30 A, 60 A, 100 A és 150 A fajlagos áramokhoz tartozóan összefoglaló táblázatban (Táblázat 1) találhatók. Ezek az értékek iránymutatást adhatnak a megfelelő kötési módszer kiválasztásához a valós kábelhossz alapján.

  Sorszám	Egyfázisú földelési kapacitív áram (A) hárommagos kábel esetén	Átlagos kapacitív áram (A/km) 70 mm² kerületű hárommagos kábel esetén	Megfelelő kábel hossza (km)	Átlagos kapacitív áram (A/km) 95 mm² kerületű hárommagos kábel esetén	Megfelelő kábel hossza (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

  A neutrális ponton keresztüli kötőzés lehetővé teszi a hibák gyors megszüntetését. A nullsorozatú védelem 0,2–2,0 másodperc alatt működhet, hogy elszigetelje a hibát, csökkentve a másodlagos állandó elektromos incidensek valószínűségét, és megvédve a villamos berendezések izolációs megbízhatóságát és élettartamát.

  4. Gyakori neutrális kötőzési módszerek összehasonlítása

  4.1 Kötőzés nélküli neutrális rendszer

  A kötőzés nélküli neutrális módszer előnye, hogy folyamatosan 1-2 órát biztosíthat energiaellátást egyfázisú földhivatkozási hibák esetén, amikor a vezetékek főleg légi vezetékekből állnak. Azonban a kábelvezetékek dominálásában ez a módszer hibaerősítést okozhat.

  4.2 Neutrális kötőzés szunteminimalizáló csepreg segítségével

  Ez a módszer, a kötőzés nélküli neutrális rendszerhez képest, a szunteminimalizáló csepreg induktív árammával kompenzálja a kapacitív áramot, csökkentve a földhivatkozási hibajáradatot olyan szintre, amelyben az önállóan kialszik, így minimalizálva a lándzsák által okozott túlfeszültségeket. Ez is lehetővé teszi 1-2 órát folyamatos működést egyfázisú földhivatkozási hibák esetén, és megakadályozza, hogy az egyfázisú hibák fejlődjenek fázis-közti hibává. Ugyanakkor ez a módszer magasabb követelményeket támaszt a földhivatkozási védelemre, nem azonosíthatja a hibás vonalat, rezgésre hajlamos, és nem tud hatékonyan elpusztítani a vonalon maradt többlet töltéseket.

  4.3 Neutrális kötőzés alacsony ellenállás segítségével

  A kábelvezetékek dominálásában az alacsony ellenállású kötőzési módszer hatékonyan ellenőrzi a lándzsaföldhivatkozási túlfeszültségeket egyfázisú földhivatkozási hibák esetén, szabályozza a rendszer rezgéstúlfeszültségeit, biztosítja a jótékony áramkorlátozó és feszültségcsökkentő hatást, és viszonylag magas nullsorozatú túljáradatvédelmi teljesítményt nyújt, amely időben segít a hibák megszüntetésében. Ugyanakkor ez a módszer korlátokkal küzd, különösen a légi vezetékek szakaszában: a növekvő utasítások gyakorisága befolyásolja a villamos energiaszolgáltatás működését, enyhíti a villamos energia szolgáltatási képességét, és bizonyos mértékben növeli a berendezések karbantartási nehézségeit.

  5. Vonalakra vonatkozó neutrális kötőzési módszerek vitája

  (1) Növelje a automatikus követő szunteminimalizáló csepreg eszközök használatát. Ez a megoldás előnye, hogy automatikusan megszünteti a villamos rendszer transzienst hibáit, így csökkentve az utasítások számát. Ha hibarias jel kiadódik, az automatikus követő szunteminimalizáló csepreg megfelelő kompenzációs áramot generál, ami lehetővé teszi a villamos vonal újraszabályozását. Ez csökkenti a három fázis közötti rövidzárlati hibák előfordulását, és biztosítja a rendszer stabilitását és biztonságát. Ugyanakkor, mivel a szunteminimalizáló eszköznek van specifikus lándzsakikapcsoló kritikus értéke, ha a földhivatkozási hibajáradat kisebb, mint ez a kritikus érték, a feszültség visszaállítási sebessége a szunteminimalizáló eszköz hatására növekszik, ami megbízhatóan kikapcsolja a lándzsát, és csökkenti annak újra-eltámadásának valószínűségét, ezzel csökkentve a villamos incidenseket, és hatékonyan támogatva a megbízható neutrális kötőzés működését.

  (2) A meglévő hagyományos sebességű átmenő vezetékek és automatikus blokkoló jelzési vezetékek felújítása során, ha a kábelvezetékek—az üzemanyag vezetékek helyettesítésével—szignifikáns arányban részesednek, javasolt a dobozos reaktorok segítségével központosított vagy elosztott kompenzáció figyelembevételét normális kapacitív áramfeltételek mellett. A 2. táblázatban szereplő számítási eredmények szerint a működési kapacitív értékek 0,22 μF/km a 70 mm² alumíniummagú kábel esetén, és 0,24 μF/km a 95 mm² alumíniummagú kábel esetén. Ugyanakkor a teremtőközpontok alkalmazkodási módosításait is figyelembe kell venni, és a teremtőközpontokon belüli feszültségállítók neutrális kötőzési módját a számítási adatok alapján kell megfelelően módosítani.

  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

  Szélsőséges esetekben, ha a rendszer nem kapcsolódik a földre, és egykabós kábeleket használnak, amelyek megfelelnek a gyorsvasút-standardszabványoknak, akkor az egyfázisú földkapcsoló hiba nem tisztelesedik meg a megengedett 2 órás időszakban. Ez folyamatos hőmérsékleti károsodást okoz a kábelben. Továbbá, miután egy egykabós kábel megsérül, annak hatása a szomszédos fázisokra viszonylag gyenge, ami tovább súlyosbítja a helyzetet, mivel nem indítja el a védelmi kiváltást, ami könnyen rendszerszintű hibákhoz vezethet.

  6. Összegzés

  A hagyományos sebességű vasúti energiaellátási rendszerekben a nullpont-földkapcsoló módszer kiválasztása közvetlenül befolyásolja a rendszer biztonságos és stabil működését. Az alkalmatlan nullpont-földkapcsoló sémaválasztás könnyen másodlagos hibákat és láncolt incidenseket eredményezhet. A számítások és összehasonlító elemzések révén a nullpont-földkapcsoló módszer komplex és ésszerű kiválasztása nagy jelentőséggel bír a hibák hatékony kiváltásához, az eszközök izolációjának védelméhez, a megbízható trakcióenergia-szolgáltatáshoz, valamint a személyzet és a vonatműködés biztonságának növeléséhez.