Metode nevtralnega povezovanja za sistem elektrosnabdevanja konvencionalnih železnic

Železniški električni sistemi se glavno sestavljajo iz avtomatskih blokiranjskih signalnih črt, prenosnih napajalnih črt, železniških pretvorilnikov in distribucijskih postaj ter vhodnih napajalnih črt. Ohranjajo z oskrbo z električno energijo ključne železniške operacije, vključno z signalizacijo, komunikacijami, sistemom vozil, obdelavo potnikov na postajah in vzdrževalne opremo. Kot integrirani del nacionalnega električnega omrežja imajo železniški električni sistemi posebne značilnosti elektrotehnike in železniške infrastrukture.

Okrepitve raziskovanja metod neutralnega priključevanja za električne sisteme železnice s povprečno hitrostjo in celostno upoštevanje teh metod med načrtovanjem, gradnjo in delovanje so zelo pomembni za izboljšanje varnosti in zanesljivosti železniškega oskrbe z električno energijo.

1. Pregled metod neutralnega priključevanja v železniških električnih sistemih

Metoda neutralnega priključevanja v železniških električnih sistemih se običajno nanaša na konfiguracijo priključevanja transformatorjev – to je oblika funkcionalnega (delovnega) priključevanja, ki je tesno povezana z ravno napetosti, enofaznim tokom pri krmelju, ravmi preprične napetosti in shemami relne zaščite. Gre za kompleksen tehnološki problem, ki ga lahko široko razdelimo na:

• Sistemi, ki niso trdno priključeni: vključno z nepriključenimi, priključenimi z arčnim zavojem (Petersenovim zavojem) in priključenimi z visokim uporom;

• Trdno priključeni sistemi: vključno z direktnim priključevanjem in priključevanjem z nizkim uporom.

Električna energija, ki jo prinaša nacionalno omrežje železnicam, splošno uporablja nepriključeno konfiguracijo nevtrala. Odvodne črte od železniških pretvorilnikov in distribucijskih postaj so običajno odvzete neposredno od sekundarne busne vrstice (ki se nahaja za vhodno busno vrstico, pred urejevalnikom napetosti), zato tudi uporabljajo nepriključen sistem nevtrala. Za skozišče odvodne črte se lahko glede na dejanske potrebe izbere metoda priključevanja napetostnega regulacijskega transformatorja.

V nasprotju s hitroželezniškimi električnimi sistemi, ki pogosto uporabljajo priključevanje z nizkim uporom, konvencionalni sistemi železnic s povprečno hitrostjo pretežno uporabljajo nepriključene konfiguracije nevtrala. Čeprav ta pristop ponuja določene prednosti, zahteva nadgradnja varnostnih standardov in tehnoloških posodobitev ponovno ocenjevanje strategij priključevanja v današnjem operativnem kontekstu.

2. Prednosti in omejitve sistemov z nepriključenim nevtralom

Glede na Predpise za projektiranje železniške električne oskrbe (TB 10008–2015) mora biti konfiguracija skoziščnih odvodnih črt določena glede na zanesljivost oskrbe z električno energijo in specifične pogoje projekta, z uporabo kombinacije povratnih in podzemnih kabelskih črt ali popolnoma podzemnih kabelskih črt.

Zaradi omejitev proračuna in tehnološke izvedljivosti se večina trenutno delujočih konvencionalnih železniških skoziščnih odvodnih črt glavno oslanja na povratne vodiče ali na hibridne konfiguracije, ki so domišljano povratne. Tako njihove sheme neutralnega priključevanja običajno uporabljajo izolirane nevtrale (nepriključene) ali sisteme z majhnim tokom priključevanja. Po članku 69 Predpisov za upravljanje železniške električne oskrbe morajo biti enofazni krmelji v takih sistemih hitro obravnavani, z dovoljenim časom delovanja krivice, ki običajno ne presega 2 ur.

Operativni podatki iz določenega segmenta železniškega upravništva med januarjem in oktobra 2023 so zabeležili 152 prekinitve napajanja, od tega 15 zaradi odpadu opreme (2 zaradi notranje odgovornosti, 13 zaradi zunanjih dejavnikov). Opazno je, da predstavljajo največjo grožnjo za stabilnost povratnih črt okoliščinske tveganje, zlasti zaraščanje rastlinami. V enem primeru so vejice drevesa vtresle v prostor svobode, kar je povzročilo delno fazo-do-tla na stranski vodnik. Napaka je bila identificirana in rešena znotraj 2-urnega okna, kar je preprečilo vpliv na delovanje vlakov in izogibalo kaskadnim odpadom. To kaže, da nepriključeni sistemi nevtrala pod obstoječimi tehnološkimi pogoji ponujajo praktične prednosti.

Vendar pa kabelske črte predstavljajo drugačne izzive. V primerjavi s povratnimi črtami imajo kabelske črte nižje meje izolacije in omejeno toleranco preprične napetosti. Med enofaznim krmeljem v nepriključenem sistemu se napetosti zdravih faz povišajo preko normalnih faz-do-tla, kar lahko doseže ravni faz-do-faze, kar povečuje tveganje večtočkovnega odpada izolacije v nekrmeljenih fazah. Poleg tega so kapacitivni krmelji v kabelskih sistemih sorazmerno veliki, kar vodi do hitrega odpada izolacije na mestu krivice in visoke verjetnosti, da se bo razvil v fazno-krmelj.

Ker so kabeli običajno nameščeni z zaloganjem, cevnimi ali talnikovimi metodami, je lokacija krivice težka. Z združenimi omejitvami tehnik zvezovanja kablov, logistik v popravljanju in železniškimi operativnimi okvihi, takšne krivice pogosto ne morejo biti hitro rešene. V praksi so odpadi kablov pretežno zaradi trajne odpade izolacije – organični izolacijski materiali se ne morejo samostojno obnoviti. V nepriključenem sistemu nedostopnost takojšnjega prekinitve omogoča dolgotrajne krmelje, kar povzroča resne poškodbe izolacije, razširitev območja krivice in potencialno sproži sekundarne probleme, kot so alarmi na napajalnem zaslonu ali celo "rdeča pasica" signalne napake, ki motijo storitve vlakov – ponekad do dolgotrajnih prekinitv in značilnih varnostnih ali javnostvenih tveganj.

3. Izbor metod neutralnega priključevanja za konvencionalne železniške električne sisteme s povprečno hitrostjo

Izbor pravilne metode neutralnega priključevanja je ključnega pomena za stabilno delovanje železniške električne oskrbe. Ključni izziv je v ustremljanju:

• Minimiziranje nepotrebnih prekinitv zaradi zunanje motnje,

• Ohranjanje neprekinjene oskrbe z električno energijo ključnih obremenitev,

• Omogočanje učinkovite zaščite pred krivicami,

• Kontrola širjenja krivice, in

• Ohranjanje električne in izolacijske integritete zdrave opreme med krivicami.

Glede na Predpise za projektiranje železniške električne oskrbe (TB 10008–2015) za 10(20) kV skoziščne odvodne črte, oskrbljene preko napetostnega regulacijskega transformatorja, se uporabljajo naslednji smernice za priključevanje:

• • Če je enofazni kapacitivni tok pri krmilu ≤ 10 A, se uporablja nezazemljeno sistem.

  • Če je tok ≤ 150 A, se lahko uporabi zazemljanje z nizkim upornikom ali zazemljanje s koščkom za utiševanje loka; če je > 150 A, se priporoča zazemljanje z nizkim upornikom.

  • V primeru celotno kabelskih linij se najbolje uporablja zazemljanje z nizkim upornikom.

  • Pri zazemljanju z nizkim upornikom se upornik izbere tako, da bo enofazni tok pri krmilu med 200–400 A, z trenutnim prekinitvijo ob zaznavanju krmila.

  Na drugi strani dovoljuje Predpis o načrtovanju hitrih železnic (TB 10621–2014) nezazemljene neutralne sisteme, kadar je kapacitivni tok pri krmilu ≤ 30 A, z odškodnitvijo preko reaktorja, ki je povezan z neutralom in tlem.

  Na podlagi izračunov iz standardnih rokovnikov za železniško elektrotehniko so največje dovoljene dolžine kablov za pogoste aluminijaste kable (premeri 70 mm² in 95 mm²), ki ustrezajo enofaznim kapacitivnim tokom pri krmilu 10 A, 30 A, 60 A, 100 A in 150 A, povzetih v Tabeli 1. Te vrednosti lahko usmerjajo pri izbiri ustreznega metoda zazemljanja glede na dejansko dolžino kabla.

  Serijska št.	Enofazna kapacitivna tokovna zemlja trižilnega kabela (A)	Povprečni kapacitivni tok trižilnega kabela s premerom 70 mm² (A/km)	Ustrezen dolžina kabela (km)	Povprečni kapacitivni tok trižilnega kabela s premerom 95 mm² (A/km)	Ustrezen dolžina kabela (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

  Zazemljenje preko neutralne točke omogoča hitro odstranjevanje napak. Zaščita z ničelno vrsto lahko deluje v obdobju 0,2–2,0 sekund, da izolira napako, kar zmanjša verjetnost sekundarnih trajnih električnih incidentov in zaščiti zanesljivost in življenjsko dobo električnega oprem.

  4. Primerjava pogostih metod zazemljanja nevtrala

  4.1 Nezazemljeni sistem s nevtralom

  Metoda nezazemljenega sistema ponuja prednost neprekinjenega oskrbevanja z energijo za 1-2 uri med enofaznimi zazemljalnimi napakami na črtnih vodnikih, ki so glavno posredovanje. Vendar pa v vodikih, ki so glavno posredovanje, ta metoda teži k eskalaciji napak.

  4.2 Zazemljenje nevtrala preko dušilne bobine

  V primerjavi s sistemom brez zazemljenega nevtrala ta metoda uporablja induktivni tok dušilne bobine za kompenzacijo kapacitivnega toka, kar zmanjša tok zazemljalne napake na raven, pri kateri se lahko samodejno ugasne, s tem pa zmanjša pretokove nadnapetosti, ki jih povzroča luk. Ta metoda tudi omogoča 1-2 ur neprekinjenega delovanja med enofaznimi zazemljalnimi napakami in preprečuje, da bi se enofazne napake razvile v fazno napako. Vendar ta metoda postavlja višje zahteve za zaščito pred zazemljalnimi napakami, ne more identificirati napakljivega vodika, je podvržena resonanci in ne more učinkovito izpuščati ostanek naboja na vodiku.

  4.3 Zazemljenje nevtrala preko nizkega upora

  V vodikih, ki so glavno posredovanje, metoda zazemljanja z nizkim upornikom učinkovito kontrolira pretokove nadnapetosti zaradi luka med enofaznimi zazemljalnimi napakami, utiša sistemske resonantne nadnapetosti, zagotavlja dobre učinke omejevanja toka in zmanjševanja napetosti ter relativno visoko zmogljivost zaščite pred prekomernim tokom ničelne vrste, kar omogoča pravočasno odstranitev napak. Vendar ima ta metoda omejitve, še posebej v odsekih črtnih vodnikov: povečana frekvenca odpadevanja vpliva na delovanje elektroenergetskega sistema, oslabi sposobnost oskrbe z energijo in do določene mere poveča težave pri vzdrževanju opreme.

  5. Razprava o metodah zazemljanja nevtrala za elektroenergetske sisteme železnice

  (1) Povečajte uporabo avtomatskih naprav za sledenje dušilnim bobinam. Ta pristop ima prednost, da avtomatsko odstrani prehodne zazemljalne napake v elektroenergetskem sistemu, s tem pa zmanjša število odpadevanj. Ko je izdan signal za alarm o napaki, avtomatska dušilna bobina generira ustrezni kompenzacijski tok, ki omogoča ponovno kompenzacijo električnega vodika. To zmanjša pojav kratičnih napak med tremi fazi in zagotavlja stabilnost in varnost sistema. Srednjetočja, ker dušilna naprava ima specifično kritično vrednost za ugasnitveno dejstvo, če je tok zazemljalne napake manjši od te kritične vrednosti, se pod vplivom dušilne naprave poveča hitrost obnovitve napetosti, kar pomaga zanesljivo ugasiti luk in zmanjša verjetnost ponovnega zapalitve luka, s tem pa zmanjša električne incidente in učinkovito podpira zanesljivo delovanje zazemljanja nevtrala.

  (2) Med prenovo obstoječih konvencionalnih sistemov skozihranjenja in avtomatskih blokiranja, če vodiki, ki so glavno posredovanje, po zamenjavi črtnih vodnikov predstavljajo velik delež, se priporoča upoštevati centralno ali porazdeljeno kompenzacijo z uporabo škatlastih reaktorjev za kompenzacijo induktivne reaktivne moči v normalnih pogojih kapacitivnega toka. Glede na izračune v Tabeli 2 so operativne kapacitivne vrednosti 0,22 μF/km za aluminijasti vodik s premerom 70 mm² in 0,24 μF/km za aluminijasti vodik s premerom 95 mm². Hkrati se mora upoštevati prilagodljivost distribucijskih sob in glede na izračunane podatke prilagoditi metode zazemljanja nevtrala naprav za reguliranje napetosti v distribucijskih sobah na obeh straneh.

  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

  V ekstremnih primerih, če je sistem nezazemljen in se uporabljajo enojni kabeli, ki so v skladu s standardi za hitre železnice, bo enofazna zazemljenost ni izklopljena znotraj dovoljenega 2-urnega okna. To povzroča stalne termalne poškodbe kabela. Poleg tega, ko je enojni kabel poškoden, ima njegov vpliv na sosednje faze relativno šibek, kar situacijo še poslabša, ker ne sproži zaščitnega prekinitve, kar lahko zlahka vodi do sistemskega zastoja.

  6. Zaključek

  V sistemih za oskrbovanje s strmo napajanjem pri običajnih hitrostih železnic izbira metode zazemljenja neutrala neposredno vpliva na varnost in stabilnost delovanja sistema. Neprimerna izbira sheme zazemljenja neutrala lahko zlahka pripelje do sekundarnih odpornosti in kaskadnih nesreč. Z računom in primerjalno analizo je celovita in razumljiva izbira metode zazemljenja neutrala zelo pomembna za učinkovito odstranjevanje odpornosti, zaščito izolacije opreme, zagotavljanje zanesljivega strmnega napajanja in izboljšanje varnosti osebja in gibanja vlakov.