Métodos de Aterramento Neutro para Sistemas de Energia Elétrica de Ferrovias de Velocidade Convencional
Os sistemas de energia ferroviária consistem principalmente em linhas de sinalização automática por blocos, linhas de alimentação de passagem, subestações e estações de distribuição ferroviárias, e linhas de alimentação de entrada. Eles fornecem eletricidade para operações ferroviárias críticas, incluindo sinalização, comunicações, sistemas de material rodante, manuseio de passageiros nas estações e instalações de manutenção. Como parte integrante da rede elétrica nacional, os sistemas de energia ferroviária exibem características distintas tanto da engenharia de energia elétrica quanto da infraestrutura ferroviária.
Aprofundar as pesquisas sobre métodos de aterramento neutro para sistemas de energia ferroviária de velocidade convencional e considerar esses métodos de forma abrangente durante o projeto, construção e operação é de grande importância para melhorar a segurança e confiabilidade do fornecimento de energia ferroviária.
1. Visão geral dos métodos de aterramento neutro nos sistemas de energia ferroviária
O método de aterramento neutro nos sistemas de energia ferroviária refere-se tipicamente à configuração de aterramento dos transformadores - uma forma de aterramento funcional (de trabalho) intimamente ligada ao nível de tensão, corrente de falta monofásica, níveis de sobretensão e esquemas de proteção relé. É um problema técnico complexo que pode ser amplamente categorizado em:
Sistemas não solidamente aterrados: incluindo sistemas sem aterramento, aterrados com bobina de supressão de arco (bobina Petersen) e aterrados com alta resistência;
Sistemas solidamente aterrados: incluindo aterramento direto e aterramento com baixa resistência.
A energia fornecida pela rede nacional para as ferrovias adota universalmente uma configuração de neutro não aterrado. Os circuitos alimentadores das subestações e estações de distribuição ferroviárias são geralmente derivados diretamente da barra secundária (localizada após a barra de entrada de energia, mas antes do regulador de tensão), portanto, também empregam um sistema de neutro não aterrado. Para as linhas de passagem, o método de aterramento do transformador regulador de tensão pode ser selecionado com base nas necessidades reais.
Diferentemente dos sistemas de energia ferroviária de alta velocidade, que comumente usam aterramento com baixa resistência, os sistemas de velocidade convencional predominam na utilização de configurações de neutro não aterrado. Embora essa abordagem ofereça certas vantagens, as normas de segurança evoluídas e as atualizações técnicas contínuas justificam uma reavaliação das estratégias de aterramento no contexto operacional atual.
2. Vantagens e Limitações dos Sistemas de Neutro Não Aterrado
De acordo com o Código de Design de Energia Ferroviária (TB 10008–2015), a configuração das linhas de passagem deve ser determinada com base na confiabilidade do fornecimento de energia e nas condições específicas do projeto, usando linhas híbridas de cabo aéreo ou linhas totalmente subterrâneas.
Devido a restrições orçamentárias e viabilidade técnica, a maioria das linhas de passagem ferroviária de velocidade convencional em operação atualmente depende principalmente de condutores aéreos ou configurações híbridas dominadas por aéreos. Consequentemente, seus esquemas de aterramento neutro geralmente adotam sistemas de neutro isolado (não aterrado) ou de pequena corrente. De acordo com o Artigo 69 das Regras de Gestão de Energia Ferroviária, as falhas monofásicas em tais sistemas devem ser tratadas prontamente, com o tempo de operação de falha permitido geralmente não excedendo 2 horas.
Dados operacionais de um segmento específico de uma administração ferroviária entre janeiro e outubro de 2023 registraram 152 interrupções de energia, das quais 15 foram falhas relacionadas a equipamentos (2 atribuíveis à responsabilidade interna, 13 a fatores externos). Notavelmente, os perigos ambientais, especialmente a invasão de vegetação, representam a principal ameaça à estabilidade das linhas aéreas. Em um incidente, ramos de árvores invadiram a zona de despejo, causando uma conexão parcial fase-terra em um condutor lateral. A falha foi identificada e resolvida dentro da janela de 2 horas, evitando qualquer impacto nas operações de trens e prevenindo falhas em cascata. Isso demonstra que, sob as condições técnicas existentes, os sistemas de neutro não aterrado oferecem benefícios práticos.
No entanto, as linhas de cabo apresentam desafios diferentes. Comparado às linhas aéreas, os cabos de energia têm margens de isolamento menores e tolerância limitada a sobretensões. Durante uma falha monofásica em um sistema não aterrado, as tensões das fases saudáveis aumentam acima dos níveis normais de fase-terra - potencialmente atingindo a tensão entre fases - aumentando o risco de rupturas múltiplas de isolamento em fases não-falhas. Além disso, as correntes de falha capacitiva em sistemas de cabo são relativamente grandes, levando a uma rápida degradação do isolamento no ponto de falha e a uma alta probabilidade de evoluir para curtos-circuitos entre fases.
Como os cabos são geralmente instalados por métodos de enterro, conduíte ou bandeja, a localização de falhas é difícil. Combinado com as limitações nas técnicas de junção de cabos, logística de reparo e janelas operacionais ferroviárias, tais falhas muitas vezes não podem ser resolvidas rapidamente. Na prática, as falhas de cabos são predominantemente devido a rompimento permanente de isolamento - materiais de isolamento orgânicos não podem se recuperar. Em um sistema não aterrado, a falta de disparo imediato permite correntes de falha prolongadas, causando danos graves ao isolamento, expandindo a zona de falha e potencialmente desencadeando problemas secundários, como alarmes de tela de energia ou até falhas de sinal "faixa vermelha" que interrompem os serviços de trem - às vezes resultando em interrupções prolongadas e riscos significativos de segurança ou relações públicas.
3. Seleção de Métodos de Aterramento Neutro para Sistemas de Energia Ferroviária de Velocidade Convencional
Selecionar o método de aterramento neutro apropriado é crucial para a operação estável da energia ferroviária. O desafio central reside em equilibrar:
Minimizar o disparo desnecessário causado por perturbações externas,
Garantir o fornecimento ininterrupto de energia para cargas críticas,
Permitir a proteção eficaz de falhas,
Controlar a propagação de falhas, e
Manter a integridade elétrica e de isolamento de equipamentos saudáveis durante as falhas.
Conforme o Código de Design de Energia Ferroviária (TB 10008–2015), para linhas de passagem de 10(20) kV alimentadas via reguladores de tensão, as seguintes diretrizes de aterramento se aplicam:
Se a corrente de fuga de terra monofásica capacitiva ≤ 10 A, deve ser utilizada um sistema não aterrado.
Se a corrente ≤ 150 A, pode-se adotar o aterramento de baixa resistência ou o aterramento com bobina de supressão de arco; se > 150 A, recomenda-se o aterramento de baixa resistência.
Linhas totalmente em cabo devem preferencialmente utilizar o aterramento de baixa resistência.
Para o aterramento de baixa resistência, o resistor de aterramento deve ser selecionado para produzir uma corrente de fuga de terra monofásica de 200–400 A, com desligamento instantâneo ao detectar a falha.
Em contraste, o Código de Projeto de Ferrovias de Alta Velocidade (TB 10621–2014) permite sistemas neutros não aterrados quando a corrente de fuga de terra capacitiva ≤ 30 A, com compensação fornecida por meio de um reator ligado à terra.
Com base em cálculos de manuais padrão de engenharia de energia ferroviária, os comprimentos máximos permitidos de cabos comuns de alumínio (seções transversais de 70 mm² e 95 mm²) correspondentes a correntes de fuga de terra monofásicas de 10 A, 30 A, 60 A, 100 A e 150 A são resumidos na Tabela 1. Esses valores podem orientar a seleção do método de aterramento apropriado com base no comprimento real do cabo.
Nº de série Corrente capacitiva monofásica à terra do cabo trifilar (A) Corrente capacitiva média do cabo trifilar de seção 70 mm² (A/km) Comprimento do cabo correspondente (km) Corrente capacitiva média do cabo trifilar de seção 95 mm² (A/km) Comprimento do cabo correspondente (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 O aterramento pelo ponto neutro permite a rápida limpeza de falhas. A proteção de sequência zero pode operar em 0,2–2,0 segundos para isolar a falha, reduzindo a probabilidade de incidentes elétricos secundários permanentes e protegendo a confiabilidade e a vida útil da isolamento do equipamento de energia.
4. Comparação dos Métodos Comuns de Aterramento do Ponto Neutro
4.1 Sistema com Ponto Neutro Não Aterrado
O método de ponto neutro não aterrado oferece a vantagem de fornecimento contínuo de energia por 1-2 horas durante falhas de aterramento monofásico em linhas dominadas por condutores aéreos. No entanto, em linhas dominadas por cabos, este método tende a causar escalada de falhas.
4.2 Aterramento do Ponto Neutro via Bobina de Supressão de Arco
Comparado com o sistema de ponto neutro não aterrado, este método usa a corrente indutiva da bobina de supressão de arco para compensar a corrente capacitiva, reduzindo a corrente de falha de aterramento a um nível que possa se extinguir automaticamente, minimizando assim as sobretensões induzidas por arcos. Também permite 1-2 horas de operação contínua durante falhas de aterramento monofásico e previne que falhas monofásicas se desenvolvam em falhas entre fases. No entanto, este método impõe requisitos mais altos para a proteção contra falhas de aterramento, não consegue identificar a linha com falha, é propenso a ressonância e não consegue descarregar efetivamente as cargas residuais na linha.
4.3 Aterramento do Ponto Neutro via Baixa Resistência
Em linhas dominadas por cabos, o método de aterramento de baixa resistência controla efetivamente as sobretensões de aterramento por arco durante falhas de aterramento monofásico, suprime as sobretensões de ressonância do sistema, oferece bons efeitos limitadores de corrente e reductores de tensão, e apresenta desempenho relativamente alto de proteção contra sobrecorrente de sequência zero, facilitando a eliminação oportuna das falhas. No entanto, este método tem limitações, especialmente em seções de linhas aéreas: o aumento da frequência de disparos afeta a operação do sistema de energia, enfraquece a capacidade de fornecimento de energia e aumenta, em certa medida, a dificuldade de manutenção do equipamento.
5. Discussão sobre Métodos de Aterramento do Ponto Neutro para Sistemas de Energia Ferroviária
(1) Aumentar a utilização de dispositivos de bobina de supressão de arco com rastreamento automático. Esta abordagem tem a vantagem de eliminar automaticamente falhas de aterramento transitórias no sistema de energia, reduzindo o número de disparos. Quando um sinal de alarme de falha é emitido, a bobina de supressão de arco com rastreamento automático gera uma corrente compensatória correspondente, permitindo a recompensação da linha de energia. Isso reduz a ocorrência de falhas de curto-circuito entre as três fases e garante a estabilidade e segurança do sistema. Além disso, como o dispositivo de supressão de arco tem um valor crítico específico de extinção de arco, se a corrente de falha de aterramento for menor que esse valor crítico, a velocidade de recuperação de tensão aumenta sob a ação do dispositivo de supressão de arco, ajudando a extinguir o arco de forma confiável e reduzindo a probabilidade de reacendimento do arco, diminuindo assim os incidentes de energia e apoiando efetivamente a operação confiável do aterramento do ponto neutro.
(2) Durante a renovação de linhas existentes de alimentação de passagem e bloqueio automático de velocidade convencional, se as linhas de cabo—após a substituição das linhas aéreas—ocuparem uma proporção significativa, recomenda-se considerar a compensação centralizada ou distribuída usando reatores tipo caixa para compensar o reativo indutivo sob condições normais de corrente capacitiva. De acordo com os resultados do cálculo na Tabela 2, os valores de capacitância de operação são 0,22 μF/km para cabo de alumínio de 70 mm² e 0,24 μF/km para cabo de alumínio de 95 mm². Ao mesmo tempo, devem ser consideradas modificações de adaptabilidade nas salas de distribuição, e os métodos de aterramento do ponto neutro dos reguladores de tensão nas salas de distribuição de ambos os lados devem ser ajustados de acordo com os dados calculados.
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 Em casos extremos, se o sistema não estiver aterrado e forem utilizados cabos de núcleo simples que atendem aos padrões de ferrovias de alta velocidade, uma falha de terra em fase única não será eliminada dentro da janela permitida de 2 horas. Isso causa danos térmicos contínuos ao cabo. Além disso, após um cabo de núcleo simples ser danificado, seu impacto nas fases adjacentes é relativamente fraco, agravando ainda mais a situação, pois não consegue acionar a proteção, o que pode facilmente levar a falhas sistêmicas.
6. Conclusão
Nos sistemas de energia de ferrovias de velocidade convencional, a escolha do método de aterramento do neutro afeta diretamente a segurança e a estabilidade da operação do sistema. Uma escolha inadequada do esquema de aterramento do neutro pode facilmente resultar em falhas secundárias e incidentes em cascata. Através de cálculos e análise comparativa, a seleção abrangente e racional do método de aterramento do neutro é de grande importância para a eliminação eficaz de falhas, proteção da isolamento do equipamento, garantia de fornecimento confiável de energia de tração e melhoria da segurança das pessoas e da operação dos trens.
