従来型鉄道電力システムのニュートラル接地方法

鉄道電力システムは主に自動閉塞信号線、通過給電線、鉄道変電所および配電所、受電線路から構成されています。これらのシステムは、信号、通信、車両システム、駅の乗客取扱い、メンテナンス施設など、重要な鉄道運行に電力を供給しています。国家電力網の一部として、鉄道電力システムは電力工学と鉄道インフラストラクチャの両方の特徴を有しています。

通常速度鉄道の電力システムにおける中性点接地方法に関する研究を強化し、設計、建設、運用においてこれらの方法を総合的に考慮することは、鉄道電力供給の安全性と信頼性を向上させる上で非常に重要です。

1. 鉄道電力システムにおける中性点接地方法の概要

鉄道電力システムにおける中性点接地方法は、一般的に変圧器の接地構成を指します。これは、電圧レベル、単相接地故障電流、過電圧レベル、リレー保護方式と密接に関連する機能（作業）接地の一種です。これは複雑な技術的問題であり、以下のよう大きく分類できます：

• 非完全接地システム：未接地、消弧コイル（ピーターセンコイル）接地、高抵抗接地システム;

• 完全接地システム：直接接地および低抵抗接地。

国営電力網からの鉄道への電力供給は、普遍的に未接地の中性点構成を採用しています。鉄道変電所および配電所からの給電回路は通常、二次バスバー（入力電源バスの後にあり、電圧調整器の前）から直接引き出されるため、未接地の中性点システムを採用しています。通過給電線については、実際の需要に基づいて電圧調整変圧器の接地方法を選択することができます。

高速鉄道の電力システムが一般的に低抵抗接地を使用するのとは異なり、通常速度鉄道システムは主に未接地の中性点構成を採用しています。このアプローチには一定の利点がありますが、進化する安全基準と継続的な技術改良により、今日の運用状況下での接地戦略の再評価が必要です。

2. 未接地の中性点システムの利点と制限

鉄道電力設計規範（TB 10008–2015）によれば、通過給電線の構成は、電力供給の信頼性とプロジェクト固有の条件に基づいて決定され、空中・ケーブルハイブリッド線または完全地下ケーブル線を使用します。

予算制約と技術的実現可能性のため、現在動作中の通常速度鉄道の通過給電線の多くは、主に空中導体または空中主導のハイブリッド構成に依存しています。そのため、それらの中性点接地方式は通常、絶縁中性（未接地）または小電流接地システムを採用しています。鉄道電力管理規則第69条によれば、このようなシステムにおける単相接地故障は速やかに対処され、許容される故障運転時間は通常2時間を超えないことが求められます。

特定の鉄道局セグメントの2023年1月から10月までの運用データでは、152件の停電が記録され、そのうち15件は設備関連の故障（内部責任によるものが2件、外部要因によるものが13件）でした。特に植生の侵入が空中線の安定性に対する主要な脅威となっています。ある事例では、木の枝がクリアランスゾーン内に入り込み、側導体で部分的な相対地接続が発生しました。この障害は2時間以内に識別され解決され、列車運行への影響を防ぎ、連鎖的な故障を回避しました。これは、既存の技術条件下で、未接地の中性点システムが実際的な利点を提供することを示しています。

しかし、ケーブル線には異なる課題があります。空中線と比較して、電力ケーブルは絶縁余裕が低く、過電圧耐性も限定的です。未接地システムにおける単相接地故障時には、健全相の電圧が通常の相対地電圧を超えてライン間電圧に達することがあります。これにより、非故障相での多点絶縁破壊のリスクが増加します。さらに、ケーブルシステムにおける容量性接地故障電流は比較的大きく、故障点での絶縁劣化が急速に進行し、相間短絡に発展する可能性が高いです。

ケーブルは通常、埋設、管路、トレイなどの方法で設置されるため、故障位置の特定が困難です。ケーブル接続技術、修理物流、鉄道運行ウィンドウの制約と組み合わさると、このような故障はしばしば迅速に解決できません。実際、ケーブルの故障は主に永続的な絶縁破壊によるものであり、有機絶縁材料は自己回復できないため、未接地システムでは即時トリップがないため、長時間の故障電流が発生し、深刻な絶縁損傷を引き起こし、故障領域を拡大し、さらには二次的な問題（例えば電力スクリーン警報や「レッドバンド」信号故障など）を引き起こし、列車サービスを中断する可能性があります—場合によっては長期的な停電と重大な安全リスクやパブリックリレーションズリスクを伴うことがあります。

3. 通常速度鉄道電力システムにおける中性点接地方法の選択

適切な中性点接地方法の選択は、鉄道電力の安定した運行にとって重要です。核心的な課題は以下のバランスを取ることです：

• 外部干渉による不要なトリップの最小化、

• 重要な負荷への途切れのない電力供給、

• 効果的な故障保護の確保、

• 故障伝播の制御、

• 故障時の健全な設備の電気的および絶縁的整合性の維持。

鉄道電力設計規範（TB 10008–2015）によれば、電圧調整器を介して供給される10(20) kV通過給電線について、以下の接地ガイドラインが適用されます：

• 単相接地故障の容量電流が10A以下の場合、非接地システムを使用する。

• 容量電流が150A以下の場合、低抵抗接地または消弧コイル接地を選択できる。150Aを超える場合、低抵抗接地を推奨する。

• 完全ケーブル線路では、低抵抗接地を使用することが好ましい。

• 低抵抗接地の場合、接地抵抗は単相接地電流が200-400Aとなるように選択し、故障検出時に瞬時トリップさせる。

一方、高速鉄道設計規範（TB 10621–2014）では、接地故障容量電流が30A以下の場合は中性点非接地システムを許可しており、中性点接地リアクタによる補償を行う。

標準的な鉄道電力工学ハンドブックからの計算に基づいて、一般的なアルミニウム芯ケーブル（断面積70mm²および95mm²）における単相接地故障容量電流10A、30A、60A、100A、150Aに対応する最大許容ケーブル長さを表1にまとめた。これらの値は、実際のケーブル長さに基づいて適切な接地方法を選択するための指針となる。

中性点での接地は、迅速な障害の解消を可能にします。ゼロ相保護は0.2〜2.0秒以内に動作し、障害を隔離し、二次的な永久的な電気事故の確率を減らし、電力設備の絶縁信頼性と寿命を保護します。

4. 一般的な中性点接地方法の比較

4.1 中性点非接地システム

中性点非接地方式は、空中線路が主導する単相接地障害時に1〜2時間の継続的な電力供給を提供する利点があります。しかし、ケーブルが主導する線路では、この方式は障害の悪化につながることがあります。

4.2 消弧コイルによる中性点接地

中性点非接地システムと比較して、この方式は消弧コイルの誘導電流を使用して静電容量電流を補償し、接地障害電流を自己消滅可能なレベルまで低減することで、アークによって引き起こされる過電圧を最小限に抑えます。また、単相接地障害時に1〜2時間の継続的な運転が可能であり、単相障害が相間障害に発展することを防ぎます。ただし、この方式は接地障害保護に対して高い要求があり、故障線路を特定できない、共振しやすい、線路上の残留電荷を効果的に放電できないなどの問題があります。

4.3 低抵抗による中性点接地

ケーブルが主導する線路では、低抵抗接地方式は単相接地障害時のアーク接地過電圧を効果的に制御し、系統の共振過電圧を抑制し、良好な電流制限および電圧低下効果を提供し、比較的高いゼロ相過電流保護性能を持ち、時宜を得た障害除去を容易にします。しかし、この方式には特に空中線路セクションにおける制限があり、トリップ頻度の増加により電力システムの運転に影響を与え、電力供給能力を弱め、設備のメンテナンス難易度をある程度高めます。

5. 鉄道電力システムにおける中性点接地方法の議論

(1) 自動追跡消弧コイル装置の利用を強化する。このアプローチは、電力システム内の一時的な接地障害を自動的に排除する利点があり、トリップ回数を減少させます。障害警報信号が出力された場合、自動追跡消弧コイルは対応する補償電流を生成し、電力線の再補償を可能にします。これにより、三相間の短絡障害の発生を減らし、システムの安定性と安全性を確保します。また、消弧装置には特定の消弧臨界値があり、接地障害電流がこの臨界値より小さい場合、消弧装置の作用により電圧回復速度が上昇し、アークを確実に消火し、アーク再着火の可能性を減らし、電力事故を減らし、信頼性のある中性点接地運転を効果的にサポートします。

(2) 既存の通常速度通過給電線および自動閉塞信号線の改修時に、空中線路を置き換えたケーブル線路が大きな割合を占める場合は、ボックス型リアクタを使用した集中または分散補償を検討することが推奨されます。これは、正常な静電容量電流条件でのインダクティブ無効電力を補償するためです。表2の計算結果によると、70 mm²アルミニウム芯ケーブルの動作静電容量値は0.22 μF/km、95 mm²アルミニウム芯ケーブルのそれは0.24 μF/kmです。同時に、配電室の適応性改良も考慮し、計算データに基づいて両側の配電室の電圧調整器の中性点接地方法を調整する必要があります。

極端な場合、システムが接地されておらず、高速鉄道の基準に準拠した単芯ケーブルを使用していると、単相接地障害が許容される2時間のウィンドウ内でクリアされません。これにより、ケーブルに継続的な熱損傷が発生します。さらに、単芯ケーブルが損傷した場合、隣接する相への影響は比較的弱いため、保護トリッピングを引き起こさず、これが容易にシステム障害につながります。

6. 結論

常時速度鉄道の電力システムにおいて、中性点接地方式の選択は、システム運転の安全性と安定性に直接影響します。適切でない中性点接地方式の選択は、二次障害や連鎖事故を引き起こしやすくなります。計算と比較分析を通じて、中性点接地方式の包括的かつ合理的な選択は、障害の効果的なクリアリング、設備絶縁の保護、信頼性のある牽引電力供給の確保、および人員と列車運行の安全性の向上にとって非常に重要です。