Metodi di messa a terra neutrale per sistemi elettrici ferroviari a velocità convenzionale
I sistemi elettrici ferroviari sono principalmente costituiti da linee di segnalamento automatico, linee di alimentazione attraverso i conduttori, sottostazioni e stazioni di distribuzione elettrica ferroviaria, nonché linee di fornitura di energia. Forniscono elettricità per operazioni ferroviarie cruciali, incluse la segnalazione, le comunicazioni, i sistemi rotabili, la gestione dei passeggeri nelle stazioni e le strutture di manutenzione. Come parte integrante della rete elettrica nazionale, i sistemi elettrici ferroviari presentano caratteristiche distinte sia dell'ingegneria elettrica che delle infrastrutture ferroviarie.
Approfondire la ricerca sui metodi di messa a terra neutra per i sistemi elettrici ferroviari a velocità convenzionale e considerarli in modo complessivo durante la progettazione, la costruzione e l'esercizio è di grande importanza per migliorare la sicurezza e l'affidabilità dell'approvvigionamento elettrico ferroviario.
1. Panoramica dei metodi di messa a terra neutra nei sistemi elettrici ferroviari
Il metodo di messa a terra neutra nei sistemi elettrici ferroviari si riferisce solitamente alla configurazione di messa a terra dei trasformatori, una forma di messa a terra funzionale (di lavoro) strettamente legata al livello di tensione, alla corrente di cortocircuito monofase, ai livelli di sovratensione e agli schemi di protezione relé. Si tratta di un problema tecnico complesso che può essere ampiamente categorizzato come:
Sistemi non solidamente messi a terra: inclusi sistemi non messi a terra, messi a terra con bobina di Petersen (coil di soppressione dell'arco) e sistemi messi a terra ad alta resistenza;
Sistemi solidamente messi a terra: inclusi messi a terra direttamente e a bassa resistenza.
L'energia fornita dalla rete elettrica nazionale alle ferrovie adotta universalmente una configurazione neutra non messa a terra. Le linee di distribuzione dalle sottostazioni e stazioni di distribuzione ferroviaria sono tipicamente prelevate direttamente dalla barra secondaria (situata dopo la barra di ingresso ma prima del regolatore di tensione), utilizzando quindi anche un sistema neutro non messo a terra. Per le linee di passaggio, il metodo di messa a terra del trasformatore regolatore di tensione può essere selezionato in base alle esigenze effettive.
A differenza dei sistemi elettrici ferroviari ad alta velocità, che comunemente utilizzano la messa a terra a bassa resistenza, i sistemi ferroviari a velocità convenzionale adottano prevalentemente configurazioni neutre non messe a terra. Sebbene questo approccio offra alcuni vantaggi, gli standard di sicurezza evolutivi e gli aggiornamenti tecnici in corso richiedono una rivalutazione delle strategie di messa a terra nel contesto operativo attuale.
2. Vantaggi e limiti dei sistemi neutri non messi a terra
Secondo il Codice di Progettazione Elettrica Ferroviaria (TB 10008–2015), la configurazione delle linee di passaggio dovrebbe essere determinata in base alla affidabilità dell'approvvigionamento elettrico e alle condizioni specifiche del progetto, utilizzando linee ibride cavo-aerea o linee completamente sotterranee.
A causa dei vincoli di budget e della fattibilità tecnica, la maggior parte delle linee di passaggio ferroviario a velocità convenzionale in esercizio attualmente si basa principalmente su conduttori aerei o configurazioni ibride dominanti aeree. Di conseguenza, i loro schemi di messa a terra neutra tipicamente adottano sistemi isolati (non messi a terra) o a piccola corrente. Secondo l'Articolo 69 delle Regole di Gestione Elettrica Ferroviaria, i guasti monofase in tali sistemi devono essere affrontati tempestivamente, con un tempo di funzionamento in guasto generalmente non superiore a 2 ore.
I dati operativi di un segmento specifico di un'azienda ferroviaria tra gennaio e ottobre 2023 hanno registrato 152 interruzioni di energia, di cui 15 erano guasti relativi all'equipaggiamento (2 attribuibili a responsabilità interne, 13 a fattori esterni). Notevole è il fatto che i pericoli ambientali, in particolare l'intrusione della vegetazione, rappresentano la minaccia principale per la stabilità delle linee aeree. In un incidente, i rami degli alberi sono entrati nella zona di sicurezza, causando una connessione parziale fase-terra su un conduttore laterale. Il guasto è stato identificato e risolto entro la finestra di 2 ore, prevenendo qualsiasi impatto sulle operazioni ferroviarie e evitando guasti a catena. Ciò dimostra che, nelle attuali condizioni tecniche, i sistemi neutri non messi a terra offrono benefici pratici.
Tuttavia, le linee cavo presentano sfide diverse. A confronto con le linee aeree, i cavi elettrici hanno margini di isolamento inferiori e una tolleranza limitata alle sovratensioni. Durante un guasto monofase in un sistema non messo a terra, le tensioni delle fasi sane aumentano oltre i livelli normali fase-terra—potenzialmente raggiungendo la tensione linea-linea—aumentando il rischio di rottura multipla dell'isolamento nelle fasi non in guasto. Inoltre, le correnti di guasto capacitiva nei sistemi cavo sono relativamente elevate, portando a un rapido degrado dell'isolamento nel punto di guasto e a una alta probabilità di evolversi in cortocircuiti tra fasi.
Poiché i cavi sono tipicamente installati tramite metodi di seppellimento, canalette o tralicci, la localizzazione del guasto è difficile. Unitamente alle limitazioni nelle tecniche di giunzione dei cavi, alla logistica di riparazione e alle finestre operative ferroviarie, tali guasti spesso non possono essere risolti rapidamente. Nella pratica, i guasti dei cavi sono prevalentemente dovuti a rotture permanenti dell'isolamento—i materiali di isolamento organici non possono autoricomporsi. In un sistema non messo a terra, l'assenza di scatto immediato permette correnti di guasto prolungate, causando danni gravi all'isolamento, espandendo la zona di guasto e potenzialmente innescando problemi secondari come allarmi schermi di potenza o fallimenti di segnali "rossi" che interrompono i servizi ferroviari—talvolta risultando in interruzioni prolungate e rischi significativi di sicurezza o di relazioni pubbliche.
3. Selezione dei metodi di messa a terra neutra per i sistemi elettrici ferroviari a velocità convenzionale
La selezione del metodo di messa a terra neutra appropriato è cruciale per l'operazione stabile dell'energia ferroviaria. La sfida fondamentale consiste nel bilanciare:
La minimizzazione degli scatti inutili causati da disturbi esterni,
La garanzia di un approvvigionamento elettrico continuo per i carichi critici,
La protezione efficace dei guasti,
Il controllo della propagazione dei guasti, e
La manutenzione dell'integrità elettrica e dell'isolamento delle apparecchiature sane durante i guasti.
Secondo il Codice di Progettazione Elettrica Ferroviaria (TB 10008–2015), per le linee di passaggio a 10(20) kV alimentate tramite regolatori di tensione, si applicano le seguenti linee guida per la messa a terra:
Se la corrente di capacità monofase ≤ 10 A, deve essere utilizzato un sistema non terra.
Se la corrente ≤ 150 A, può essere adottata una messa a terra a bassa resistenza o una messa a terra con bobina di soppressione dell'arco; se > 150 A, è consigliata la messa a terra a bassa resistenza.
Le linee completamente in cavo dovrebbero preferibilmente utilizzare la messa a terra a bassa resistenza.
Per la messa a terra a bassa resistenza, il resistore di terra deve essere selezionato per ottenere una corrente di terra monofase di 200-400 A, con scatto istantaneo alla rilevazione del guasto.
In contrasto, il Norme progettuali per le ferrovie ad alta velocità (TB 10621–2014) permette sistemi neutri non terra quando la corrente di capacità di guasto a terra ≤ 30 A, con compensazione fornita tramite un reattore collegato al neutro.
In base ai calcoli dai manuali standard di ingegneria elettrica ferroviaria, le lunghezze massime consentite dei cavi comuni in alluminio (sezioni trasversali di 70 mm² e 95 mm²) corrispondenti alle correnti di capacità di guasto monofase di 10 A, 30 A, 60 A, 100 A e 150 A sono riassunte nella Tabella 1. Questi valori possono guidare la scelta del metodo di messa a terra appropriato in base alla lunghezza effettiva del cavo.
N. seriale Corrente capacitiva monofase di un cavo trifase (A) Corrente capacitiva media del cavo trifase sezione 70 mm² (A/km) Lunghezza corrispondente del cavo (km) Corrente capacitiva media del cavo trifase sezione 95 mm² (A/km) Lunghezza corrispondente del cavo (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 Il collegamento a terra attraverso il punto neutro consente una rapida eliminazione dei guasti. La protezione di sequenza zero può intervenire entro 0,2-2,0 secondi per isolare il guasto, riducendo la probabilità di incidenti elettrici secondari permanenti e proteggendo l'affidabilità e la durata della vita utile dell'isolamento delle apparecchiature elettriche.
4. Confronto tra i metodi di raccordo a terra del neutro più comuni
4.1 Sistema con neutro non collegato a terra
Il metodo con neutro non collegato a terra offre il vantaggio di fornire energia in modo continuativo per 1-2 ore durante guasti a terra monofase su linee dominate da conduttori aerei. Tuttavia, su linee dominate da cavi, questo metodo tende a causare un'escalation del guasto.
4.2 Raccordo a terra del neutro tramite bobina di soppressione dell'arco
In confronto al sistema con neutro non collegato a terra, questo metodo utilizza la corrente induttiva della bobina di soppressione dell'arco per compensare la corrente capacitiva, riducendo la corrente di guasto a terra a un livello che si può autoestinguere, minimizzando così le sovratensioni indotte dall'arco. Consente inoltre 1-2 ore di funzionamento continuativo durante guasti a terra monofase e prevenisce che i guasti monofase si trasformino in guasti bifase. Tuttavia, questo metodo richiede requisiti più elevati per la protezione contro i guasti a terra, non può identificare la linea difettosa, è soggetto a risonanza e non può scaricare efficacemente le cariche residue sulla linea.
4.3 Raccordo a terra del neutro tramite resistenza bassa
Su linee dominate da cavi, il metodo di raccordo a terra con resistenza bassa controlla efficacemente le sovratensioni dovute all'arco durante i guasti a terra monofase, sopprime le sovratensioni risonanti del sistema, fornisce buone prestazioni limitatrici di corrente e riduzioni di tensione, e offre un'elevata prestazione di protezione contro la sovratensione di sequenza zero, facilitando l'eliminazione tempestiva del guasto. Tuttavia, questo metodo ha alcune limitazioni, specialmente nelle sezioni di linee aeree: l'aumento della frequenza di scatto influenza l'operatività del sistema di potenza, indebolisce la capacità di fornitura di energia e aumenta leggermente la difficoltà di manutenzione delle apparecchiature.
5. Discussione sui metodi di raccordo a terra del neutro per i sistemi di alimentazione ferroviaria
(1) Migliorare l'utilizzo di dispositivi automatici di bobine di soppressione dell'arco. Questo approccio ha il vantaggio di eliminare automaticamente i guasti a terra transitori nel sistema di potenza, riducendo così il numero di interruzioni. Quando viene emesso un segnale di allarme di guasto, la bobina di soppressione dell'arco genera una corrente di compensazione corrispondente, consentendo una ricompensazione della linea di potenza. Ciò riduce l'insorgenza di guasti di cortocircuito tra le tre fasi e garantisce stabilità e sicurezza del sistema. Inoltre, poiché il dispositivo di soppressione dell'arco ha un valore critico specifico per l'estinzione dell'arco, se la corrente di guasto a terra è inferiore a tale valore critico, la velocità di recupero della tensione aumenta sotto l'effetto del dispositivo di soppressione dell'arco, aiutando a estinguere l'arco in modo affidabile e riducendo la possibilità di riacceso dell'arco, diminuendo quindi gli incidenti di potenza e supportando efficacemente l'operazione di raccordo a terra del neutro affidabile.
(2) Durante la ristrutturazione delle linee esistenti di alimentazione continua e blocco automatico, se le linee di cavo—dopo la sostituzione delle linee aeree—costituiscono una quota significativa, si consiglia di considerare la compensazione centralizzata o distribuita utilizzando reattori a scatola per compensare la reattività induttiva nelle condizioni normali di corrente capacitiva. Secondo i risultati di calcolo nella tabella 2, i valori di capacità operativa sono 0,22 μF/km per il cavo in alluminio da 70 mm² e 0,24 μF/km per il cavo in alluminio da 95 mm². Allo stesso tempo, si devono considerare modifiche di adattabilità alle stanze di distribuzione, e i metodi di raccordo a terra dei regolatori di tensione nelle stanze di distribuzione su entrambi i lati dovrebbero essere adeguati in base ai dati calcolati.
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 In casi estremi, se il sistema non è collegato a terra e si utilizzano cavi monofase conformi agli standard delle ferrovie ad alta velocità, un guasto a terra monofase non sarà eliminato entro la finestra di tempo consentita di 2 ore. Ciò causa danni termici continui al cavo. Inoltre, dopo che un cavo monofase è danneggiato, il suo impatto sulle fasi adiacenti è relativamente debole, aggravando ulteriormente la situazione in quanto non viene innescato il trip degli interventi di protezione, il che può facilmente portare a malfunzionamenti sistemici.
6. Conclusione
Nei sistemi di alimentazione elettrica delle ferrovie a velocità convenzionale, la scelta del metodo di collegamento a terra della neutrale influenza direttamente la sicurezza e la stabilità dell'operazione del sistema. Una scelta inappropriata dello schema di collegamento a terra della neutrale può facilmente portare a guasti secondari e incidenti a cascata. Attraverso calcoli e analisi comparativa, una selezione complessiva e razionale del metodo di collegamento a terra della neutrale è di grande importanza per l'eliminazione efficace dei guasti, la protezione dell'isolamento degli apparecchi, l'assicurazione di un'energia trazione affidabile e l'aumento della sicurezza del personale e delle operazioni dei treni.
