Nøytral jordemetoder for konvensjonelle togstrømsystemer
Jernbane kraftsystemer består hovedsakelig av automatiske blokkeringssignallinjer, gjennomføringstransformatorlinjer, jernbanekraftverk og distribusjonsstasjoner, samt innkomstekraftlinjer. De leverer strøm til viktige jernbaneoperasjoner – inkludert signalering, kommunikasjon, togsystemer, passasjerservice på stasjoner, og vedlikeholdsfasiliteter. Som en integrert del av det nasjonale kraftnettet viser jernbane kraftsystemer distinkte trekk både av elektrisk kraftteknikk og jernbaneinfrastruktur.
Å forsterke forskningen på nøytral grunningsmetoder for konvensjonelle jernbane kraftsystemer – og å inkludere disse metodene i design, bygging og drift – er av stor betydning for å øke sikkerheten og påliteligheten i jernbane kraftforsyningen.
1. Oversikt over nøytral grunningsmetoder i jernbane kraftsystemer
Nøytral grunningsmetoden i jernbane kraftsystemer refererer typisk til grunningskonfigurasjonen av transformatorer – en form for funksjonell (arbeids) grunning tett knyttet til spenningsnivå, enefase jordfeilstrøm, overvoltage-nivåer, og relèbeskyttelsesskjema. Dette er et komplekst teknisk problem som kan deles inn i:
Ikke-solidt grunnete systemer: inkludert ugrunnete, buelukningskredsløp (Petersen-kredsløp) grunnete, og høyresistans grunnete systemer;
Solidt grunnete systemer: inkludert direkte grunning og lavresistans grunning.
Strøm fra det nasjonale kraftnettet til jernbaner bruker generelt en ugrunnet nøytralkonfigurasjon. Fôrledd fra jernbanekraftverk og distribusjonsstasjoner er vanligvis koblet direkte fra sekundær busbar (beliggende etter inngangsstrømbuss, men før spenningseffektregulator), dermed også bruker en ugrunnet nøytralsystem. For gjennomføringstransformatorlinjer kan grunningsmetoden for spenningseffekttransformator velges basert på faktiske behov.
I motsetning til høyhastighetsjernbane kraftsystemer – som ofte bruker lavresistans grunning – bruker konvensjonelle jernbanesystemer hovedsakelig ugrunnete nøytralkonfigurasjoner. Mens denne metoden gir visse fordeler, krever utvikling av sikkerhetsstandarder og fortsettende teknisk oppgradering at grunningsstrategier blir reevaluert i dagens operasjonskontekst.
2. Fordeler og begrensninger med ugrunnete nøytralsystemer
Ifølge Jernbane Kraftdesignkodeksen (TB 10008–2015) skal konfigurasjonen av gjennomføringstransformatorlinjer bestemmes basert på strømforsyningens pålitelighet og prosjektspesifikke forhold, ved bruk av enten hybrid linjer med overhengeledning/kabel eller fullt underjordiske kablelinjer.
På grunn av budsjettbegrensninger og teknisk gjennomførbart, bruker de fleste operativ konvensjonelle jernbane gjennomføringstransformatorlinjer hovedsakelig overhengeledninger eller overhengedominerte hybriddesign. Dermed bruker de typisk isolerte nøytral (ugrunnete) eller småstrøm grunningsystemer. Ifølge punkt 69 i Jernbane Kraftforvaltningsreglene, må enefase jordfeil i slike systemer håndteres raskt, med tillatt feiloperasjonstid generelt ikke mer enn 2 timer.
Operative data fra et spesifikt jernbanebyråsegment mellom januar og oktober 2023 registrerte 152 strømafbrudd, hvorav 15 var utstyrsrelaterte feil (2 tilskrevet interne ansvar, 13 til eksterne faktorer). Noterbart er miljøfarer – spesielt bevegelse av vegetasjon – den primære truselen mot stabiliteten av overhengeledninger. I et tilfelle intruderte tregren inn i friromssonen, forårsaket en delvis fase-til-jord forbindelse på en sideleder. Feilen ble identifisert og løst innenfor 2-timers vindu, unna noen effekt på togdrift og unna kaskade feil. Dette demonstrerer at, under eksisterende tekniske forhold, gir ugrunnete nøytralsystemer praktiske fordele.
Imidlertid presenterer kabellinjer ulike utfordringer. Sammenlignet med overhengeledninger, har strømkabler lavere isolasjonsmarginaler og begrenset overvoltage toleranse. Under en enefase jordfeil i et ugrunnet system, stiger spenningen i de sunne fasene over normal fase-til-jord nivå – potensielt opp til fasetil-fase spenning – øker risikoen for flerpunkt isolasjonsnedbryting i ikke-feilfasene. I tillegg er kapasitiv jordfeilstrøm i kabelsystemer relativt stor, som fører til rask isolasjonsnedbryting ved feilpunktet og en høy sannsynlighet for å utvikle seg til fase-til-fase kortslutninger.
Ettersom kabler typisk installeres via gravet, ledning eller skuffemetode, er feillokalisering vanskelig. Kombinert med begrensninger i kabelkoblingsmetoder, reparasjonslogistikker, og jernbane driftsvinduer, kan slike feil ofte ikke løses raskt. I praksis er kabelfeil hovedsakelig forårsaket av permanent isolasjonsnedbryting – organiske isolasjonsmaterialer kan ikke selvhelbrede. I et ugrunnet system, mangel på umiddelbar tripping tillater langvarig feilstrøm, som fører til alvorlig isolasjonskummer, utvidet feilsone, og potensielt utløser sekundære problemer som strømskjermalarmer eller selv "rødsonet" signalfailurer som forstyrrer togdrift – noen ganger resulterer i lange nedbrudd og betydelig sikkerhet eller offentlige relasjonsrisikoer.
3. Valg av nøytral grunningsmetoder for konvensjonelle jernbane kraftsystemer
Valg av riktig nøytral grunningsmetode er kritisk for stabil jernbane kraftdrift. Den sentrale utfordringen ligger i balanseringen av:
Minimere unødvendig tripping forårsaket av eksterne forstyrrelser,
Sikre ubrudt strøm til kritiske belastninger,
Tillate effektiv feilbeskyttelse,
Kontrollere feilpropagasjon, og
Opprettholde elektrisk og isolasjonsintegritet av sunne enheter under feil.
Ifølge Jernbane Kraftdesignkodeksen (TB 10008–2015), for 10(20) kV gjennomføringstransformatorlinjer levert gjennom spenningseffektregulatorer, gjelder følgende grunningsretningslinjer:
Hvis den enefase jordfeil kapasitive strøm ≤ 10 A, skal et ujordet system brukes.
Hvis strømmen ≤ 150 A, kan enten lavt motstand jording eller buelukningskredsløps jording benyttes; hvis > 150 A, anbefales lavt motstand jording.
Fullt kabelbaserte linjer bør fortrinnsvis bruke lavt motstand jording.
Ved lavt motstand jording, skal jordmotstanden velges slik at enefase jordstrøm blir 200–400 A, med øyeblikkelig utskjutning ved feildeteksjon.
I kontrast tillater Høyhastighetsjernbane Designkodeks (TB 10621–2014) ujordede nøytralsystemer når jordfeil kapasitive strøm ≤ 30 A, med kompensasjon gitt via en nøytral-jordet reaktor.
Basert på beregninger fra standard jernbane energiengineering håndbøker, er maksimalt tillatte kablelengder for vanlige aluminiumkjernede kabler (70 mm² og 95 mm² tverrsnitt) som svarer til enefase jordfeil kapasitive strømmer på 10 A, 30 A, 60 A, 100 A, og 150 A oppsummert i Tabell 1. Disse verdiene kan veilede valget av passende jordemetode basert på faktisk kablelengde.
Serienummer Kapasitiv strøm ved enfasjord (A) for trekjerne-kabel Gjennomsnittlig kapasitiv strøm (A/km) for trekjerne-kabel med tverrsnitt på 70 mm² Tilsvarende kabellengde (km) Gjennomsnittlig kapasitiv strøm (A/km) for trekjerne-kabel med tverrsnitt på 95 mm² Tilsvarende kabellengde (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 Jordlegging gjennom nøytralpunktet tillater rask feilbortskaffelse. Nullsekvensbeskyttelse kan operere innen 0,2–2,0 sekunder for å isolere feilen, noe som reduserer sannsynligheten for sekundære permanente elektriske hendelser og beskytter isolasjonens pålitelighet og levetid hos strømtiltak.
4. Sammenligning av vanlige metoder for jordlegging av nøytralpunktet
4.1 Ujordet nøytralsystem
Ujordet nøytralmetode gir fordelen med kontinuerlig strømforsyning i 1–2 timer under enefasejordfeil i linjer domineret av overføringsledninger. Imidlertid, i kabeldominerte linjer, denne metoden har tendens til å forårsake feileskalering.
4.2 Jordlegging av nøytralpunktet via bukseldempende spole
Sammenlignet med ujordet nøytralsystem, bruker denne metoden induktivstrømmen fra bukseldempende spolet til å kompensere for kapasitiv strøm, noe som reduserer jordfeilstrømmen til et nivå som kan slukke seg selv, dermed minimere bukseinduserte overspenninger. Denne metoden tillater også 1–2 timers kontinuerlig drift under enefasejordfeil og hindrer enefasefeil i å utvikle seg til fases mot fase-feil. Imidlertid stiller denne metoden høyere krav til jordfeilbeskyttelse, kan ikke identifisere den defekte linjen, er utsatt for resonans, og kan ikke effektivt slippe ut restladning på linjen.
4.3 Jordlegging av nøytralpunktet via lav motstand
I kabeldominerte linjer, kontrollerer lavmotstands jordleggingsmetoden effektivt bukseovervoltage under enefasejordfeil, demper systemresonant overvoltage, gir gode strømbegrensningseffekter og spenningredusering, og tilbyr relativt høy nullsekvens overstrømsbeskyttelsesytelse, noe som forenkler tidsmessig feilbortskaffelse. Imidlertid har denne metoden begrensninger, spesielt i overføringsledningsseksjoner: økt trippingfrekvens påvirker drift av strømsystemet, svekker strømforsyningsevnen, og øker vedlikeholdsutfordringene for utstyr i en viss grad.
5. Diskusjon om jordleggingsmetoder for jernbane strømsystemer
(1) Forbedre bruk av automatiske sporingsbukseldempende spoletenheter. Denne metoden har fordelen med å automatisk eliminere transiente jordfeil i strømsystemet, noe som reduserer antallet trippinger. Når det sendes en feilalarm, genererer det automatiske sporingsbukseldempende spolet en tilsvarende kompenserende strøm, som muliggjør ny kompensering av strømlinjen. Dette reduserer forekomsten av kortslutningsfeil mellom de tre fasene og sikrer systemets stabilitet og sikkerhet. Samtidig, siden bukseldempende enhet har en spesifikk bukseutslukningskritisk verdi, hvis jordfeilstrømmen er mindre enn denne kritiske verdien, vil gjenopprettingshastigheten av spenningen øke under virkningen av bukseldempende enhet, hjelper med å slukke boksen pålitelig og reduserer sannsynligheten for at boksen tennes på nytt, dermed reduserer strømhendelser og støtter effektivt pålitelig jordlegging av nøytralpunktet.
(2) Under oppgradering av eksisterende konvensjonelle gjennomsnittsforføring og automatiske blokkeringssignallinjer, hvis kabellinjer - etter bytte av overføringsledninger - utgjør en betydelig andel, anbefales det å vurdere sentralisert eller distribuert kompensasjon ved bruk av boksformede reaktorer for å kompensere for induktiv reaktiv effekt under normale kapasitive strømforhold. Ifølge beregningsresultatene i tabell 2, er driftskapasitetsverdiene 0,22 μF/km for 70 mm² aluminiumskjerne-kabel og 0,24 μF/km for 95 mm² aluminiumskjerne-kabel. Samtidig bør det vurderes modifikasjoner for tilpasning av distributionsrom, og jordleggingsmetodene for spenningregulatoren i distributionsrom på begge sider skal justeres basert på beregnede data.
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 I ekstreme tilfeller, hvis systemet er ubelagt og enkeltkjerkekabler som overholder høyhastighetsjernbanestandarder, brukes, vil ikke en enefase jordfeil bli ryddet innen det tillatte tidsvinduet på 2 timer. Dette fører til vedvarende termisk skade på kabellet. I tillegg har skade på en enkeltkjerkekabel relativt liten effekt på nabofaser, noe som forverrer situasjonen ytterligere ved å unngå utløsning av beskyttende tripping, noe som lett kan føre til systemskader.
6. Konklusjon
I konvensjonelle jernbane strømsystemer påvirker valg av metode for nøytral jording direkte sikkerheten og stabiliteten i systemets drift. Et upassende valg av nøytral jordingskema kan lett føre til sekundære feil og kaskadende hendelser. Gjennom beregning og sammenlignende analyse er et omfattende og fornuftig valg av metode for nøytral jording av stor betydning for å effektivt rydde feil, beskytte utstyrsisolering, sikre pålitelig traktsstrømforsyning, og forbedre både personell- og togdriftssikkerhet.
