Rêveberên Bîrserokanê yên Jêrîn ji bo Sistemanên Nîrgiriyê ya Trenên Vaxtîn

Sisteman de şînê li serên demokrasya otomatîk, xebetên şînê yên daxwazger, statyonên transformatora û distribûsyon, û xebetên ên derketinê. Wan şînê bibînin pêşkeftinan herî rastî yên demokrasya—yanî nîşanbûn, taybetmendiyek, sistemên rola, operasyonên barkirina kesan, û endamên parzûnandina. Wek piçeyek integra ya rêzikên şînê ya welatî, sisteman de şînê ya demokrasya bin navberên astengên inženîyaryayên elektrîk û infrastruktûra demokrasya.

Strengthening research into neutral grounding methods for conventional-speed railway power systems—and comprehensively considering these methods during design, construction, and operation—is highly significant for enhancing the safety and reliability of railway power supply.

1. Overview of Neutral Grounding Methods in Railway Power Systems

The neutral grounding method in railway power systems typically refers to the grounding configuration of transformers—a form of functional (working) grounding closely tied to voltage level, single-phase ground-fault current, overvoltage levels, and relay protection schemes. It is a complex technical issue that can be broadly categorized into:

• Non-solidly grounded systems: including ungrounded, arc-suppression coil (Petersen coil) grounded, and high-resistance grounded systems;

• Solidly grounded systems: including direct grounding and low-resistance grounding.

Power supplied from the national grid to railways universally adopts an ungrounded neutral configuration. Feeder circuits from railway substations and distribution stations are typically tapped directly from the secondary busbar (located after the incoming power bus but before the voltage regulator), thus also employing an ungrounded neutral system. For through-feeder lines, the grounding method of the voltage-regulating transformer may be selected based on actual needs.

Unlike high-speed railway power systems—which commonly use low-resistance grounding—conventional-speed railway systems predominantly employ ungrounded neutral configurations. While this approach offers certain advantages, evolving safety standards and ongoing technical upgrades warrant re-evaluation of grounding strategies in today’s operational context.

2. Advantages and Limitations of Ungrounded Neutral Systems

According to the Railway Power Design Code (TB 10008–2015), the configuration of through-feeder lines should be determined based on power supply reliability and project-specific conditions, using either overhead-cable hybrid lines or fully underground cable lines.

Due to budget constraints and technical feasibility, most operational conventional-speed railway through-feeder lines currently rely primarily on overhead conductors or overhead-dominant hybrid configurations. Consequently, their neutral grounding schemes typically adopt insulated-neutral (ungrounded) or small-current grounding systems. Per Article 69 of the Railway Power Management Rules, single-phase ground faults in such systems must be addressed promptly, with allowable fault operation time generally not exceeding 2 hours.

Operational data from a specific railway bureau segment between January and October 2023 recorded 152 power trips, of which 15 were equipment-related failures (2 attributable to internal responsibility, 13 to external factors). Notably, environmental hazards—particularly vegetation encroachment—pose the primary threat to overhead line stability. In one incident, tree branches intruded into the clearance zone, causing a partial phase-to-ground connection on a side conductor. The fault was identified and resolved within the 2-hour window, preventing any impact on train operations and avoiding cascading failures. This demonstrates that, under existing technical conditions, ungrounded neutral systems offer practical benefits.

However, cable lines present different challenges. Compared to overhead lines, power cables have lower insulation margins and limited overvoltage tolerance. During a single-phase ground fault in an ungrounded system, the healthy-phase voltages rise above normal phase-to-ground levels—potentially reaching line-to-line voltage—increasing the risk of multi-point insulation breakdown in non-fault phases. Moreover, capacitive ground-fault currents in cable systems are relatively large, leading to rapid insulation degradation at the fault point and a high likelihood of evolving into phase-to-phase short circuits.

Because cables are typically installed via buried, conduit, or tray methods, fault location is difficult. Combined with constraints in cable jointing techniques, repair logistics, and railway operational windows, such faults often cannot be resolved quickly. In practice, cable failures are predominantly due to permanent insulation breakdown—organic insulation materials cannot self-recover. In an ungrounded system, the lack of immediate tripping allows prolonged fault currents, causing severe insulation damage, expanding the fault zone, and potentially triggering secondary issues such as power screen alarms or even "red-band" signal failures that disrupt train services—sometimes resulting in prolonged outages and significant safety or public relations risks.

3. Selection of Neutral Grounding Methods for Conventional-Speed Railway Power Systems

Selecting the appropriate neutral grounding method is critical for stable railway power operation. The core challenge lies in balancing:

• Minimizing unnecessary tripping caused by external disturbances,

• Ensuring uninterrupted power to critical loads,

• Enabling effective fault protection,

• Controlling fault propagation, and

• Maintaining electrical and insulation integrity of healthy equipment during faults.

Per the Railway Power Design Code (TB 10008–2015), for 10(20) kV through-feeder lines supplied via voltage regulators, the following grounding guidelines apply:

• Eger yek phaseyî daqiq cûrî kapasîtî ≤ 10 A bîye, sistema nehatînebîne hatiye bikar bîne.

• Eger cûr ≤ 150 A bîye, ya li ser xwerûdî nîvekî yên destpêk û ya li ser xwerûdî kalkûla barkirin û ya li ser xwerûdî kalkûla barkirina tîmara ziharekirin dikarin bi kar bînin; eger > 150 A bîye, li ser xwerûdî nîvekî yên destpêk pêdivî ye.

• Li hêla rêzikên cable guhert bike li ser xwerûdî nîvekî yên destpêk bikar bîne.

• Li ser xwerûdî nîvekî yên destpêk, pirziman xwerûdî dixwazî ye ku cûrî phaseyî yek daqiq bîye 200–400 A, bi şekstina derbaraneke ra çalak bike.

Bersivîna, Koda Rêvandina Zewa Tez (TB 10621–2014) sistema neutral nehatînebîne hatiye bikar bîne eger cûrî kapasîtî daqiq ≤ 30 A bîye, bi parastîna di navbera reaktoran neutral û zemin de.

Li ser hesabkirinan ji alavên standard ên îngilîzan elektrîkî ferrovîaryan, girîngîna kabelan berdesta (70 mm² û 95 mm² herêmî) li ser cûrî kapasîtî daqiq phaseyî yek daqiq 10 A, 30 A, 60 A, 100 A, û 150 A di Mezanîna 1 de nirxandin. În nimûneyan didekirina rêzikên xwerûdî yên wekhevî bikar bînin ber bi girîngîna kabelan serast.

Zerînkirina bi navî neytralê digehîna çêdane serbest bikin. Parastina zero-sequence dikare li ser 0.2-2.0 saniye berdest bibe da ku çêdana bisekin, yekûlina dêra xwekariya tewrîn a wekî hêza elektrîk weraz bike û parastina îmkanî ya karyanên elektrîk û dema karê wê pêk bike.

4. Pirsgirêka Rêzikên Bîshtî yên Neutrale

4.1 Sisteman Bi Nav Neutrale Navez

Rêzika nav neutrale navez ên şeviya derbarê hatinekî yên navî navî de girîng dike ku divê serbexwî kirîne ji bo 1-2 saet ji bo çêdanên phase-yekî yên navî navî. Lê, di hatinekî yên navî cable de, ew meteşî ye ku çêdan bigere.

4.2 Zerînkarina Nav Neutrale bi Coila Daxistinê

Bi rêzikên nav neutrale navez, ev rêz bîshtî yên coila daxistinê bikar dike ku amperajî inductive ya coila daxistinê bibe ku amperajî kapasitiveya kompensasyon bide, amperajî çêdan navî bisekin bibe ta ku bi xwe bisekin, lêgerîn overvoltage yên çêdana. Ev jî serbexwîkirina 1-2 saet ji bo çêdanên phase-yekî yên navî navî dide û çêdanên phase-yekî yên navî navî ji bo çêdanên phase-an re çêdana bisekin. Lê, ev rêzê bi rêzê yên parastina çêdana navî navî zêdetir dike, navî çêdana navî navî tune dibe, rezonans bi teşkil dikat û navî çêdana navî navî tune dibe.

4.3 Zerînkarina Nav Neutrale bi Direzînê Ya Bêgir

Di hatinekî yên navî cable de, rêz bîshtî yên direzînê ya bêgir amperajî çêdan navî navî bisekin bibe, overvoltage yên sistemik resona bisekin, efektivîta bisekin û vêjîra bisekin, û performansa parastina overcurrent yên zero-sequence zêde ye, ku destpêkî çêdana bisekin. Lê, ev rêzê malpera heye, bêtirîn di navî hatinekî yên navî navî de: serbexwîkirina tripping zêde ye, qeyberên karyanên elektrîk bisekin, û qeyberên perwarina karyanên elektrîk zêde ye.

5. Wîstîna Rêzikên Bîshtî yên Neutrale ji Bo Sisteman Karyanên Elektrîkên Tren

(1) Serbexwîkirina amara cihedên tracking automatic arc-suppression coil. Ev rêzê bi avantaja automatic elimîna çêdanên transient yên sisteman karyanên elektrîk, ku ji bo serbexwîkirina tripping zêde ye. Di dema ku alarma çêdana dabe, cihed tracking automatic arc-suppression coil amperajî compensating bipeyda, ku kompensasyon din navî hatinekî yên karyanên elektrîk bide. Ev bisekin bibe çêdanên short-circuit yên phase-an re, û stabîlî û abdarîya sisteman bide. Yekdem, ji ber ku cihed arc-suppression critical value yên arc-extinguishing ya bijarte ye, eger amperajî çêdan navî navî piqetir be, speeda recovery voltage li ser amada cihed arc-suppression zêde ye, ku arcê bi rastî bisekin û yekdemîna arc re-burning bisekin, ku karanîna karyanên elektrîk bisekin û operasyona neutral grounding bi rastî bide.

(2) Di dema renovasyonê yên hatinekî yên through-feeder û automatic block signaling yên konvencîyonel de, eger hatinekî yên cable - pas guherandina hatinekî yên navî navî - pirrêzike bibe, pêşniha bi rêzê yên box-type reactors bi compensasyon centralize an distributed bide, bi rêzê yên inductive reaktive power bi amperajî kapasitiveya normal. Li ser hesabkirina Table 2, capacitance values yên operasyoniyên 0.22 μF/km ji bo aluminum-core cable yên 70 mm² û 0.24 μF/km ji bo aluminum-core cable yên 95 mm². Yekdem, adaptability modifications bi roomên distribution bide, û rêzikên neutral grounding yên regulators yên roomên distribution li ser du taraf bide, li ser data yên hesabkirin.

Berdanê yekemîn, heke sistema nekabît û kablên êk-servî—bi standartên demirîya çend dergeha hizan de bikar bînin—, serbestiya yek servî nayê di pencereyê mehengre ya 2 saet de paqirtin. Ev kablê bi taybetmendiya dawî werger dikin. Heke kabelê êk-servî were biguherînin, tesîrash li servîyan dinjir nekuştin, ewa vê şitî yên parastîn rengkirina navdar bike, ku hêj ji bo serbestiya sîstemîn bibin.

6. Pêşkeftina

Di sîstemên gûtînê de demirîya herî çend dergeha hizan de, hilbijartin rêzikî neyê neteweyên kesdariya û stabîlîna karbikê. Hilbijartin neyê neteweyên rikî neyê tevahî, girîngirî serbestiya duyemîn û veştiya serbestiya xwe biguherînin. Bi hesabkirina û analîzeya berband, hilbijartin yekûma û rastîn neteweyên rikî pêşkeftina serbestiyên efektî, parastina izolyasyonê malperê, jêbirina gûtandina tevahî û zêdekirina amniyeti personel û karbikê.