Neutrale aardingmethoden voor conventionele spoorwegenergiesystemen

Spoorwegenergiesystemen bestaan voornamelijk uit automatische blok-signalisatielijnen, doorvoedingslijnen, spoorwegonderstations en distributiestations, en inkomende energievoorzieningslijnen. Ze leveren elektriciteit voor cruciale spoorwegoperaties, waaronder signalisatie, communicatie, rollend materieelsystemen, stationaire passagiersbehandeling en onderhoudsvoorzieningen. Als integraal deel van het nationale elektriciteitsnetwerk vertonen spoorwegenergiesystemen kenmerken van zowel elektrotechniek als spoorweginfrastructuur.

Het versterken van onderzoek naar neutrale aardingsmethoden voor conventionele snelheidsspoorwegenergiesystemen - en deze methoden volledig in overweging nemen tijdens ontwerp, bouw en exploitatie - is zeer belangrijk voor het verbeteren van de veiligheid en betrouwbaarheid van de spoorwegenergievoorziening.

1. Overzicht van neutrale aardingsmethoden in spoorwegenergiesystemen

De neutrale aardingmethode in spoorwegenergiesystemen verwijst doorgaans naar de aardingconfiguratie van transformatoren - een vorm van functionele (werkende) aarding die nauw verbonden is met spanningsniveau, eenfase aardfoutstromen, overspanningsniveaus en relaisbeschermingschema's. Het is een complex technisch vraagstuk dat breed gezien kan worden ingedeeld in:

• Niet-vastgelegde aardingsystemen: inclusief ongeaarde, boogverdrijvingsspoel (Petersen spoel) geaarde, en hoge-weerstand geaarde systemen;

• Vastgelegde aardingsystemen: inclusief directe aarding en lage-weerstand aarding.

Elektriciteit die vanuit het nationale netwerk naar spoorwegen wordt geleverd, maakt universeel gebruik van een ongeaarde neutrale configuratie. Voederschakelingen van spoorwegonderstations en distributiestations worden meestal rechtstreeks getapt vanaf de secundaire busbar (gelegen na de inkomende energiebus maar voor de spanningregelaar), en maken dus ook gebruik van een ongeaard neutraalsysteem. Voor doorvoedingslijnen kan de aardingmethode van de spanningregeltransformatoren op basis van de daadwerkelijke behoeften worden gekozen.

In tegenstelling tot hoogwaardige spoorwegenergiesystemen - die doorgaans lage weerstand aarding gebruiken - maken conventionele snelheidsspoorwegsystemen voornamelijk gebruik van ongeaarde neutrale configuraties. Hoewel deze benadering bepaalde voordelen biedt, vereisen evoluerende veiligheidsnormen en voortdurende technische upgrades een heroverweging van aardingsstrategieën in het huidige operationele kader.

2. Voordelen en beperkingen van ongeaarde neutrale systemen

Volgens de Spoorwegenergieontwerpnorm (TB 10008–2015) moet de configuratie van doorvoedingslijnen worden bepaald op basis van de betrouwbaarheid van de energievoorziening en projectspecifieke omstandigheden, gebruikmakend van lucht-kabelhybride lijnen of volledig ondergrondse kabellijnen.

Vanwege budgettaire beperkingen en technische haalbaarheid vertrouwen de meeste operationele conventionele snelheidsspoorwegdoorvoedingslijnen momenteel voornamelijk op luchtgeleiders of luchtgedomineerde hybride configuraties. Daarom maken hun neutrale aardingschema's meestal gebruik van geïsoleerde neutrale (ongeaarde) of kleine-stroom aardingsystemen. Volgens artikel 69 van de Spoorwegenergiemanagementregels moeten eenfase aardfouten in dergelijke systemen snel worden afgehandeld, waarbij de toegestane foutbedrijfstijd over het algemeen niet meer dan 2 uur mag bedragen.

Operationele gegevens van een specifiek spoorwegbureau tussen januari en oktober 2023 registreerden 152 stroomuitvalincidenten, waarvan 15 gerelateerd waren aan apparatuurfouten (2 toe te schrijven aan interne verantwoordelijkheid, 13 aan externe factoren). Merkwaardig genoeg vormen milieugevaarlijke situaties, vooral vegetatie-inbreuk, de primaire bedreiging voor de stabiliteit van luchtlijnen. In één incident drongen takken de veiligheidszone binnen, waardoor er een gedeeltelijke fase-aardeverbinding ontstond op een zijgeleider. De fout werd binnen het 2-uurs venster geïdentificeerd en opgelost, waardoor geen invloed was op de treinbewegingen en kettingreacties werden voorkomen. Dit toont aan dat, onder bestaande technische omstandigheden, ongeaarde neutrale systemen praktische voordelen bieden.

Kabellijnen stellen echter andere uitdagingen. In vergelijking met luchtlijnen hebben stroomkabels lagere isolatiemarges en beperkte overspanningstolerantie. Tijdens een eenfase aardfout in een ongeaard systeem stijgen de spanningen van de gezonde fasen boven de normale fase-aardeniveaus - mogelijk tot fasetofasenspanningen - wat het risico op meerpuntige isolatie-inbraak in niet-foutfasen verhoogt. Bovendien zijn capacitaire aardfoutstromen in kabelsystemen relatief groot, wat leidt tot snelle isolatieverslechtering op het foutpunt en een grote kans op evolutie naar fasetofase kortsluitingen.

Omdat kabels meestal via begraven, buis of tray-methoden worden geïnstalleerd, is foutlocatie moeilijk. Samen met beperkingen in kabelverbindingstechnieken, reparatielogistiek en spoorwegexploitatievensters, kunnen dergelijke fouten vaak niet snel worden opgelost. In de praktijk zijn kabelfouten voornamelijk het resultaat van permanente isolatie-inbraak - organische isolatiematerialen kunnen zichzelf niet herstellen. In een ongeaard systeem staat de afwezigheid van onmiddellijke uitschakeling toe dat foutstromen langdurig blijven, wat ernstige isolatieschade veroorzaakt, de foutzone uitbreidt en potentiële secundaire problemen zoals energie-schermalarmen of zelfs "rode band" signaaluitval veroorzaakt, wat treindiensten verstoort - soms resulterend in lange storingen en aanzienlijke veiligheids- of public relations-risico's.

3. Selectie van neutrale aardingsmethoden voor conventionele snelheidsspoorwegenergiesystemen

Het selecteren van de juiste neutrale aardingsmethode is cruciaal voor stabiele spoorwegenergieexploitatie. De kernuitdaging ligt in het evenwicht vinden tussen:

• Het minimaliseren van onnodige uitschakelingen veroorzaakt door externe verstoringen,

• Zorgen voor ononderbroken energievoorziening aan kritieke belastingen,

• Effectieve foutbescherming mogelijk maken,

• Foutpropagatie controleren, en

• De elektrische en isolatie-integriteit van gezonde apparatuur tijdens fouten behouden.

Volgens de Spoorwegenergieontwerpnorm (TB 10008–2015) gelden voor 10(20) kV doorvoedingslijnen die via spanningregelaars worden gevoed, de volgende aardingrichtlijnen:

• Indien de enkelvoudige fasetoegestane capacitaire stroom ≤ 10 A is, dient een ongegrondeerd systeem te worden gebruikt.

• Indien de stroom ≤ 150 A is, kan er gekozen worden voor een lage-ohm gronding of een boogdempende spoel gronding; indien > 150 A, wordt lage-ohm gronding aanbevolen.

• Volledig kabelgebonden lijnen moeten bij voorkeur gebruik maken van lage-ohm gronding.

• Bij lage-ohm gronding moet de grondingsweerstand zodanig worden geselecteerd dat de enkelvoudige fasestoombare stroom 200–400 A bedraagt, met onmiddellijke uitschakeling bij het detecteren van een fout.

In tegenstelling hiermee staat in de High-Speed Railway Design Code (TB 10621–2014) toegestaan dat neutrale systemen ongegrondeerd blijven wanneer de capacitaire stroom bij een fasesfout ≤ 30 A is, met compensatie via een neutrale grondreactor.

Op basis van berekeningen uit standaard spoorweginstallaties handboeken, zijn de maximale toegestane kabellengtes voor algemene aluminiumkernen (doorsneden van 70 mm² en 95 mm²) die overeenkomen met enkelvoudige fasestoombare capacitaire stromen van 10 A, 30 A, 60 A, 100 A en 150 A samengevat in Tabel 1. Deze waarden kunnen als richtlijn dienen voor de selectie van een passende grondingsmethode op basis van de werkelijke kabellengte.

Aarding via het neutrale punt stelt snelle foutafhandeling in staat. Nulreeksbescherming kan binnen 0,2–2,0 seconden werken om de fout te isoleren, waardoor de kans op secundaire permanente elektrische incidenten wordt verminderd en de isolatierelabiliteit en levensduur van elektrische apparatuur worden beschermd.

4. Vergelijking van algemene neutrale aardingsmethoden

4.1 Ongeaarde neutrale systeem

De ongeaarde neutrale methode biedt het voordeel van een continue stroomvoorziening gedurende 1-2 uur bij eenfase-aardfouten in lijnen die gedomineerd worden door luchtlijnen. Echter, in kabelgedomineerde lijnen neigt deze methode ertoe om de fout te verergeren.

4.2 Neutrale aarding via boogverdovingsspoel

In vergelijking met het ongeaarde neutrale systeem gebruikt deze methode de inductieve stroom van de boogverdovingsspoel om de capacitaire stroom te compenseren, waardoor de aardfoutstroom tot een niveau wordt teruggebracht dat zichzelf kan doven, wat de overspanningen veroorzaakt door bogen minimaliseert. Het stelt ook 1-2 uur continue bedrijfsvoering in tijdens eenfase-aardfouten en voorkomt dat eenfasefouten uitgroeien tot tussenfasenfouten. Deze methode stelt echter hogere eisen aan aardfoutbescherming, kan de defecte lijn niet identificeren, is vatbaar voor resonantie en kan resterende ladingen op de lijn niet effectief afvoeren.

4.3 Neutrale aarding via lage weerstand

In kabelgedomineerde lijnen beheerst de methode van aarding via lage weerstand effectief de boog-aardoverspanningen tijdens eenfase-aardfouten, onderdrukt systeemresonantie-overspanningen, biedt goede stroombeperkende en spanning-verlagende effecten, en biedt relatief hoge nulreeks-overstroombeschermingsprestaties, waardoor tijdige fouteliminatie mogelijk wordt. Deze methode heeft echter beperkingen, vooral in secties met luchtlijnen: de toename van het aantal schakelingen beïnvloedt de werking van het energieverschaffend systeem, verzwakt de stroomvoorzieningscapaciteit en vergroot de moeilijkheid van het onderhoud van apparatuur enigszins.

5. Bespreking van neutrale aardingsmethoden voor spoorwegenergiesystemen

(1) Verhoog de inzet van automatische tracking boogverdovingsspoelapparatuur. Deze benadering heeft het voordeel van automatisch elimineren van tijdelijke aardfouten in het energiesysteem, waardoor het aantal schakelingen wordt verminderd. Wanneer een foutmeldingssignaal wordt gegeven, genereert de automatische tracking boogverdovingsspoel een corresponderende compensatiestroom, waardoor de energielijn opnieuw gecompenseerd kan worden. Dit vermindert het optreden van kortsluitingen tussen de drie fasen en zorgt voor systeemstabiliteit en veiligheid. Tegelijkertijd, aangezien het boogverdovingsapparaat een specifieke boogdoofkritische waarde heeft, als de aardfoutstroom kleiner is dan deze kritische waarde, neemt de herstelsnelheid van de spanning onder de werking van het boogverdovingsapparaat toe, wat helpt bij betrouwbaar doven van de boog en vermindert de kans op heroplichting van de boog, waardoor energieincidenten worden verminderd en betrouwbare neutrale aarding wordt ondersteund.

(2) Tijdens de renovatie van bestaande conventionele snelheid doorvoerders en automatische blokkeringssignalisatie lijnen, indien kabellijnen - na het vervangen van luchtlijnen - een aanzienlijk deel uitmaken, wordt aanbevolen om centrale of gedistribueerde compensatie te overwegen met behulp van boxreactoren om inductieve reactiviteit te compenseren onder normale capacitaire stroomcondities. Volgens de berekeningresultaten in Tabel 2 zijn de werkende capaciteitswaarden 0,22 μF/km voor 70 mm² aluminiumkernkabel en 0,24 μF/km voor 95 mm² aluminiumkernkabel. Tegelijkertijd moeten aanpassingen aan de distributiekamers worden overwogen, en de neutrale aardingsmethoden van spanningsregelaars in de distributiekamers aan beide zijden dienen op basis van de berekende gegevens te worden aangepast.

In extreme gevallen, als het systeem niet is aangesloten op aarde en er gebruik wordt gemaakt van enkelkernige kabels die voldoen aan de normen voor hogesnelheidslijnen, zal een enkefase aardfout niet binnen het toegestane tijdsvenster van 2 uur worden geëlimineerd. Dit veroorzaakt continue thermische schade aan de kabel. Bovendien is de impact van een beschadigde enkelkernige kabel op de naburige fasen relatief zwak, waardoor de situatie verder verslechtert doordat het niet leidt tot een beschermende doorlaat, wat gemakkelijk kan leiden tot systeemfouten.

6. Conclusie

Bij conventionele spoorwegenergiesystemen heeft de keuze van de neutrale aardingmethode directe invloed op de veiligheid en stabiliteit van het systeem. Een onjuiste keuze van het neutrale aardingsschema kan gemakkelijk leiden tot secundaire fouten en kettingreacties. Door middel van berekening en vergelijkend onderzoek is een grondige en weloverwogen keuze van de neutrale aardingmethode van groot belang om effectief fouten te elimineren, de isolatie van apparatuur te beschermen, een betrouwbare tractievoeding te waarborgen en zowel de veiligheid van personeel als treinoperaties te verbeteren.