Kaedah Penyambungan Neutral untuk Sistem Kuasa Kereta Api Kelajuan Biasa
Sistem kuasa kereta api terutamanya terdiri daripada garis isyarat blok automatik, garis penghantaran penghubung, stesen transformator dan stesen agihan, serta garis bekalan kuasa masuk. Ia menyediakan tenaga elektrik untuk operasi penting kereta api—termasuk isyarat, komunikasi, sistem gerabak, penanganan penumpang di stesen, dan kemudahan pemeliharaan. Sebagai sebahagian integral daripada grid kuasa negara, sistem kuasa kereta api mempamerkan ciri-ciri unik kejuruteraan kuasa elektrik dan infrastruktur kereta api.
Menguatkan penyelidikan kaedah grounding neutral bagi sistem kuasa kereta api kelajuan biasa—dan mempertimbangkan secara menyeluruh kaedah-kaedah ini semasa reka bentuk, pembinaan, dan operasi—sangat signifikan untuk meningkatkan keselamatan dan kebolehpercayaan bekalan kuasa kereta api.
1. Gambaran Umum Kaedah Grounding Neutral dalam Sistem Kuasa Kereta Api
Kaedah grounding neutral dalam sistem kuasa kereta api biasanya merujuk kepada konfigurasi grounding transformator—sejenis grounding fungsional (kerja) yang erat berkaitan dengan tahap voltan, arus kerosakan tanah fasa tunggal, tahap overvoltan, dan skema perlindungan relai. Ia adalah isu teknikal yang kompleks yang boleh dikategorikan secara luas menjadi:
Sistem tidak solidly grounded: termasuk sistem tidak diground, sistem diground dengan koil penghapus lengkung (Petersen coil), dan sistem diground dengan rintangan tinggi;
Sistem solidly grounded: termasuk sistem diground langsung dan sistem diground dengan rintangan rendah.
Bekalan kuasa dari grid nasional ke kereta api secara universal menggunakan konfigurasi neutral tidak diground. Litar penghantar dari stesen transformator dan stesen agihan biasanya ditarik langsung dari bus sekunder (terletak selepas bus masuk tetapi sebelum regulator voltan), oleh itu juga menggunakan sistem neutral tidak diground. Untuk litar penghantar melalui, kaedah grounding transformator penyesuaian voltan mungkin dipilih berdasarkan keperluan sebenar.
Berbeza dengan sistem kuasa kereta api kelajuan tinggi—yang biasanya menggunakan grounding dengan rintangan rendah—sistem kereta api kelajuan biasa secara dominan menggunakan konfigurasi neutral tidak diground. Walaupun pendekatan ini menawarkan beberapa kelebihan, piawaian keselamatan yang berkembang dan peningkatan teknikal yang berterusan memerlukan penilaian semula strategi grounding dalam konteks operasi hari ini.
2. Kelebihan dan Keterbatasan Sistem Neutral Tidak Diground
Menurut Kod Reka Bentuk Kuasa Kereta Api (TB 10008–2015), konfigurasi litar penghantar melalui harus ditentukan berdasarkan kebolehpercayaan bekalan kuasa dan keadaan projek tertentu, menggunakan garis hibrid kabel udara atau garis kabel bawah tanah sepenuhnya.
Disebabkan batasan anggaran dan kelayakan teknikal, kebanyakan litar penghantar melalui kereta api kelajuan biasa yang beroperasi pada masa kini bergantung utama pada konduktor udara atau konfigurasi hibrid yang didominasi udara. Oleh itu, skema grounding neutral mereka biasanya mengambil sistem insulasi-neutral (tidak diground) atau sistem grounding arus kecil. Berdasarkan Peraturan 69 Peraturan Pengurusan Kuasa Kereta Api, kerosakan tanah fasa tunggal dalam sistem tersebut harus diselesaikan dengan segera, dengan masa operasi kerosakan yang dibenarkan umumnya tidak melebihi 2 jam.
Data operasional dari segmen jabatan kereta api tertentu antara Januari hingga Oktober 2023 mencatatkan 152 gangguan kuasa, di mana 15 adalah kegagalan berkaitan peralatan (2 disebabkan oleh tanggungjawab dalaman, 13 disebabkan faktor luar). Nota bene, bahaya alam sekitar—terutamanya pencerobohan tumbuhan—merupakan ancaman utama terhadap kestabilan garis udara. Dalam satu insiden, ranting pohon menerobos zon jarak aman, menyebabkan sambungan separa fasa ke tanah pada konduktor sisi. Kerosakan tersebut dikenali dan diselesaikan dalam tempoh 2 jam, mencegah sebarang kesan pada operasi kereta api dan mengelakkan kegagalan berantai. Ini menunjukkan bahawa, di bawah keadaan teknikal sedia ada, sistem neutral tidak diground menawarkan manfaat praktikal.
Namun, garis kabel menimbulkan cabaran yang berbeza. Berbanding dengan garis udara, kabel kuasa memiliki margin isolasi yang lebih rendah dan toleransi overvoltan yang terbatas. Semasa kerosakan tanah fasa tunggal dalam sistem tidak diground, voltan fasa sihat meningkat melebihi tahap normal fasa ke tanah—potensi mencapai voltan fasa ke fasa—mengenaikan risiko pecah belah isolasi multipoint pada fasa non-kerosakan. Selain itu, arus kerosakan tanah kapasitif dalam sistem kabel relatif besar, menyebabkan degradasi isolasi yang cepat di titik kerosakan dan kemungkinan tinggi berkembang menjadi korsleting fasa ke fasa.
Karena kabel biasanya dipasang melalui kaedah terpendam, selokan, atau tray, lokasi kerosakan sukar. Gabungan dengan batasan teknik penyambungan kabel, logistik pembaikan, dan jendela operasi kereta api, kerosakan tersebut sering kali tidak dapat diselesaikan dengan cepat. Dalam praktik, kegagalan kabel kebanyakannya disebabkan oleh pecah belah isolasi yang kekal—bahan isolasi organik tidak dapat pulih sendiri. Dalam sistem tidak diground, ketiadaan trip segera membolehkan arus kerosakan berlanjutan, menyebabkan kerosakan isolasi yang parah, memperluas zon kerosakan, dan mungkin memicu isu-isu sekunder seperti alarm skrin kuasa atau bahkan kegagalan isyarat "red-band" yang mengganggu perkhidmatan kereta api—kadangkala mengakibatkan gangguan panjang dan risiko keselamatan atau hubungan awam yang signifikan.
3. Pilihan Kaedah Grounding Neutral untuk Sistem Kuasa Kereta Api Kelajuan Biasa
Memilih kaedah grounding neutral yang sesuai sangat penting untuk operasi kuasa kereta api yang stabil. Cabaran utama terletak pada menyeimbangkan:
Meminimumkan trip tidak perlu akibat gangguan luar,
Memastikan bekalan kuasa tidak terputus kepada beban penting,
Membolehkan perlindungan kerosakan yang efektif,
Mengawal penyebaran kerosakan, dan
Mengekalkan integriti elektrik dan isolasi peralatan sihat semasa kerosakan.
Berdasarkan Kod Reka Bentuk Kuasa Kereta Api (TB 10008–2015), untuk litar penghantar melalui 10(20) kV yang disuplai melalui regulator voltan, panduan grounding berikut berlaku:
Jika arus kerosakan fasa tunggal ≤ 10 A, sistem tidak terbumikan hendaklah digunakan.
Jika arus ≤ 150 A, pen bumian rintangan rendah atau pen bumian gegelung penghapus lengkung boleh diterapkan; jika > 150 A, pen bumian rintangan rendah disarankan.
Laluan berdasarkan kabel sepenuhnya sebaiknya menggunakan pen bumian rintangan rendah.
Untuk pen bumian rintangan rendah, resistor pembumian harus dipilih untuk menghasilkan arus kerosakan fasa tunggal sebanyak 200–400 A, dengan perlanggaran segera semasa deteksi kerosakan.
Sebaliknya, Kod Reka Bentuk Kereta Api Berkelajuan Tinggi (TB 10621–2014) membenarkan sistem neutral tidak terbumikan apabila arus kapasitif kerosakan ke bumi ≤ 30 A, dengan pensijilan melalui reaktor yang terhubung ke tanah.
Berdasarkan pengiraan dari buku panduan kejuruteraan elektrik kereta api piawai, panjang kabel maksimum yang dibenarkan untuk kabel berinti aluminium biasa (penampang 70 mm² dan 95 mm²) yang berkaitan dengan arus kapasitif kerosakan fasa tunggal 10 A, 30 A, 60 A, 100 A, dan 150 A diringkaskan dalam Jadual 1. Nilai-nilai ini dapat membimbing pilihan kaedah pembumian berdasarkan panjang kabel yang sebenar.
No. Siri Arus kapasitif fasa tunggal bumi kabel tiga inti (A) Arus kapasitif min kabel tiga inti 70 mm² (A/km) Panjang kabel yang sepadan (km) Arus kapasitif min kabel tiga inti 95 mm² (A/km) Panjang kabel yang sepadan (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 Penghujung melalui titik neutral membolehkan pengesanan kesalahan dengan cepat. Perlindungan siri-sifar boleh beroperasi dalam masa 0.2–2.0 saat untuk mengasingkan kesalahan, mengurangkan kebarangkalian insiden elektrik sekunder yang kekal dan melindungi kebolehpercayaan isolasi serta jangka hayat peralatan elektrik.
4. Perbandingan Kaedah Penyambungan Neutral Biasa
4.1 Sistem Neutral Tidak Disambung
Kaedah neutral tidak disambung menawarkan kelebihan bekalan kuasa yang berterusan selama 1-2 jam semasa kesalahan tanah fasa tunggal pada laluan yang didominasi oleh konduktor udara. Walau bagaimanapun, pada laluan yang didominasi kabel, kaedah ini cenderung menyebabkan peningkatan kesalahan.
4.2 Penyambungan Neutral Melalui Kumparan Pemadam Lengkung
Bandingan dengan sistem neutral tidak disambung, kaedah ini menggunakan arus induktif dari kumparan pemadam lengkung untuk mengimbangi arus kapasitif, mengurangkan arus kesalahan tanah kepada tahap yang boleh padam sendiri, seterusnya mengurangkan tegangan berlebihan akibat lengkung. Ia juga membolehkan operasi berterusan selama 1-2 jam semasa kesalahan tanah fasa tunggal dan mencegah kesalahan fasa tunggal berkembang menjadi kesalahan antara fasa. Walau bagaimanapun, kaedah ini menetapkan tuntutan yang lebih tinggi terhadap perlindungan kesalahan tanah, tidak dapat mengenal pasti laluan yang bermasalah, cenderung mengalami resonans, dan tidak dapat melepaskan muatan baki pada laluan secara efektif.
4.3 Penyambungan Neutral Melalui Rendah Rintangan
Pada laluan yang didominasi kabel, kaedah penyambungan rendah rintangan secara efektif mengawal tegangan berlebihan akibat lengkung semasa kesalahan tanah fasa tunggal, menekan tegangan berlebihan resonans sistem, memberikan kesan pembatasan arus dan penurunan tegangan yang baik, dan menawarkan prestasi perlindungan arus siri-sifar yang relatif tinggi, memudahkan pengesanan kesalahan secara tepat. Walau bagaimanapun, kaedah ini mempunyai keterbatasan, terutamanya pada bahagian laluan udara: peningkatan frekuensi trip mempengaruhi operasi sistem kuasa, melemahkan keupayaan bekalan, dan meningkatkan kesukaran pemeliharaan peralatan.
5. Perbincangan tentang Kaedah Penyambungan Neutral untuk Sistem Kuasa Kereta Api
(1) Galakkan penggunaan peranti kumparan pemadam lengkung pelacakan automatik. Pendekatan ini mempunyai kelebihan menghapuskan kesalahan tanah sementara dalam sistem kuasa secara automatik, seterusnya mengurangkan jumlah trip. Apabila isyarat alar kesalahan dikeluarkan, kumparan pemadam lengkung pelacakan automatik menghasilkan arus kompensasi yang sepadan, membolehkan rekompensasi laluan kuasa. Ini mengurangkan kejadian kesalahan pendek antara tiga fasa dan memastikan kestabilan dan keselamatan sistem. Selain itu, kerana peranti pemadam lengkung mempunyai nilai kritikal pemadaman lengkung tertentu, jika arus kesalahan tanah adalah lebih kecil daripada nilai kritikal ini, laju pemulihan voltan meningkat di bawah tindakan peranti pemadam lengkung, membantu pemadaman lengkung secara andal dan mengurangkan kemungkinan penghidupan semula lengkung, seterusnya mengurangkan insiden kuasa dan menyokong operasi penyambungan neutral yang andal.
(2) Semasa pembaikan laluan penghantar melalui dan laluan penghalang automatik yang sedia ada, jika laluan kabel—setelah menggantikan laluan udara—mewakili sebahagian besar, disarankan untuk mempertimbangkan kompensasi pusat atau tersebar menggunakan reaktor kotak untuk mengimbangi daya reaktif induktif di bawah keadaan arus kapasitif normal. Berdasarkan hasil pengiraan dalam Jadual 2, nilai kapasitansi operasi adalah 0.22 μF/km untuk kabel inti aluminium 70 mm² dan 0.24 μF/km untuk kabel inti aluminium 95 mm². Pada masa yang sama, pertimbangkan modifikasi adaptabilitas ruang distribusi, dan sesuaikan kaedah penyambungan neutral penyesuai voltan di ruang distribusi kedua-dua sisi berdasarkan data yang dikira.
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 Dalam kes ekstrem, jika sistem tidak terikat dan kabel tunggal inti—yang mematuhi piawaian kereta api laju—digunakan, gangguan tanah fasa tunggal tidak akan dibersihkan dalam tempoh dua jam yang dibenarkan. Ini menyebabkan kerosakan termal berterusan pada kabel. Selain itu, selepas kabel tunggal inti rosak, kesannya terhadap fasa bersebelahan adalah relatif lemah, yang lebih merosakkan situasi dengan gagal memicu lompatan perlindungan, yang boleh dengan mudah mengakibatkan kegagalan sistem.
6. Kesimpulan
Dalam sistem kuasa kereta api kelajuan konvensional, pilihan kaedah pengikatan neutral secara langsung mempengaruhi keselamatan dan kestabilan operasi sistem. Pilihan kaedah pengikatan neutral yang tidak sesuai boleh dengan mudah mengakibatkan gangguan sekunder dan insiden berkaitan. Melalui pengiraan dan analisis perbandingan, pemilihan komprehensif dan rasional kaedah pengikatan neutral sangat penting untuk membersihkan gangguan secara efektif, melindungi isolasi peralatan, memastikan bekalan kuasa tarikan yang dapat dipercayai, dan meningkatkan keselamatan operasi orang ramai dan kereta api.
