Neutrala jordningsmetoder för järnvägsströmförsörjningssystem med konventionell hastighet

Järnvägsnät för elektricitet består huvudsakligen av automatiska blocksignallinjer, genomförselningslinjer, järnvägsunderstationer och distributionsstationer samt inkommande elförsörjningslinjer. De tillhandahåller ström till viktiga järnvägsoperationer, inklusive signalering, kommunikation, rullande stocks system, stationär passagerarhantering och underhållsanläggningar. Som en integrerad del av det nationella elnätet visar järnvägsnät för elektricitet tydliga egenskaper både av elektrisk energiteknik och järnvägsinfrastruktur.

Förstärkt forskning om neutrala anslutningsmetoder för järnvägsnät för elektricitet med vanlig hastighet - och ett omfattande övervägande av dessa metoder vid design, konstruktion och drift - är av stort värde för att öka säkerheten och tillförlitligheten i järnvägsel-försörjningen.

1. Översikt över neutrala anslutningsmetoder i järnvägsnät för elektricitet

Den neutrala anslutningsmetoden i järnvägsnät för elektricitet refererar vanligtvis till transformatorernas anslutningskonfiguration - en form av funktionsbaserad (arbets-) anslutning som är nära kopplad till spänningsnivå, ensidig felslagningsström, överspänning och reläskyddsscheman. Detta är ett komplicerat tekniskt problem som kan indelas i:

• Oejdeslutade system: inklusive oanslutna, bågavskräckningsspole (Petersen-spole) anslutna och hög-resistans anslutna system;

• Ejdeslutade system: inklusive direkt anslutna och låg-resistans anslutna.

El från det nationella nätet till järnvägar använder allmänt en oansluten neutral konfiguration. Förselningskretsar från järnvägsunderstationer och distributionsstationer är vanligtvis kopplade direkt från den sekundära busbar (belägen efter den inkommande elförsörjningsbusbaren men innan spänningsregulatorn), och använder därför också ett oanslutet neutralsystem. För genomförselningslinjer kan anslutningsmetoden för spänningsregulatorn väljas baserat på faktiska behov.

Till skillnad från järnvägsnät för elektricitet med höghastighet, som vanligtvis använder låg-resistans anslutning, använder järnvägsnät med vanlig hastighet huvudsakligen oanslutna neutralkonfigurationer. Även om detta tillvägagångssätt erbjuder vissa fördelar, kräver utvecklade säkerhetsstandarder och pågående tekniska uppgraderingar en nyvärdering av anslutningsstrategier i dagens driftsamma sammanhang.

2. Fördelar och begränsningar hos oanslutna neutralsystem

Enligt Järnvägseldesignkod (TB 10008–2015) bör konfigurationen av genomförselningslinjer fastställas baserat på elförsörjningens tillförlitlighet och projektspecifika villkor, antingen med hjälp av hybridlinjer med luftlednings-kabel eller helt underjordiska kabelsystem.

På grund av budgetbegränsningar och teknisk genomförbarhet beror de flesta operativa genomförselningslinjer för järnvägar med vanlig hastighet huvudsakligen på luftledningar eller luftledningsdominerade hybridkonfigurationer. Deras neutrala anslutningsscheman antar vanligtvis isolerade neutra (oanslutna) eller småströms anslutningssystem. Enligt artikel 69 i Järnvägselhanteringsregler måste ensidiga felslag i sådana system hanteras snabbt, med tillåtet felfunktionsintervall generellt inte överstigande två timmar.

Driftsdata från ett specifikt järnvägsbyråsegment mellan januari och oktober 2023 registrerade 152 strömavbrott, varav 15 var utrustningsrelaterade fel (2 tillkom av intern ansvar, 13 av externa faktorer). Noterat är att miljöfaror - särskilt växtintrång - utgör den primära hotet mot stabiliteten hos luftledningar. I ett fall inträdde trädgrenar i klaranszonen, vilket orsakade en partiell fas-till-jordkoppling på en sidoförare. Felet identifierades och löstes inom tvåtimmarsfönstret, vilket förhindrade någon påverkan på tågtrafiken och undvek kaskadefel. Detta visar att, under befintliga tekniska förhållanden, erbjuder oanslutna neutralsystem praktiska fördelar.

Kabellinjer presenterar dock olika utmaningar. Jämfört med luftledningar har elkabler lägre isolationsmarginaler och begränsad överspännningstolerans. Vid en ensidig felslagning i ett oanslutet system stiger spänningarna i de friska faserna över normala fas-till-jordsnivåer - potentiellt uppnående fas-till-fasspänning - vilket ökar risken för flerpunktsgripande isoleringsbrott i icke-felfaser. Dessutom är kapacitiva felslagsströmmar i kabellsystem relativt stora, vilket leder till snabb isoleringsdegeneration vid felpunkten och en hög risk för att utvecklas till fas-till-faskortslingar.

Eftersom kablar vanligtvis installeras via begravda, rör eller lådmetoder, är felets lokalisering svår. Tillsammans med begränsningar i kabellanslutningsteknik, reparationlogistik och järnvägsdriftsfönster, kan sådana fel ofta inte lösas snabbt. I praktiken beror kabelfel huvudsakligen på permanent isoleringsbrott - organiska isoleringsmaterial kan inte självläkas. I ett oanslutet system tillåter bristen på omedelbar avstängning långa felströmmar, vilket orsakar allvarliga isoleringsbeskador, expanderar felet och kan potentiellt utlösa sekundära problem som elförsörjningsskärmalarmer eller till och med "röda band" signalfel som stör tågtrafiken - ibland resulterar i långa driftstopp och betydande säkerhets- eller PR-risker.

3. Valförande av neutrala anslutningsmetoder för järnvägsnät för elektricitet med vanlig hastighet

Val av lämplig neutral anslutningsmetod är avgörande för stabil järnvägsel-operation. Den centrala utmaningen ligger i att balansera:

• Minimera onödig avstängning orsakad av externa störningar,

• Säkerställa oavbruten ström till kritiska laster,

• Möjliggöra effektiv felkysskydd,

• Kontrollera felpropagation, och

• Bibehålla elektrisk och isoleringsintegritet för frisk utrustning under fel.

Enligt Järnvägseldesignkod (TB 10008–2015), gäller följande anslutningsriktlinjer för 10(20) kV genomförselningslinjer som levereras via spänningsregulatorer:

• Om den enfasiga jordfelströmmen ≤ 10 A, skall ett osträckt system användas.

• Om strömmen ≤ 150 A, kan antingen låg impedansjordning eller bågutsläckarkolvjordning antas; om > 150 A, rekommenderas låg impedansjordning.

• Fullt kabelbaserade linjer bör föredra låg impedansjordning.

• För låg impedansjordning bör jordningsmotståndet väljas för att ge en enfasig jordström på 200–400 A, med omedelbar avstängning vid felupptäckt.

I kontrast till detta tillåter Hög-hastighetsjärnvägsdesignkoden (TB 10621–2014) osträckta neutrala system när jordfelkapacitiv ström ≤ 30 A, med kompensation genom en neutral-jordad reaktor.

Baserat på beräkningar från standard handböcker i järnvägsenergiteknik, sammanfattas de maximala tillåtna kabellängderna för vanliga aluminiumkärn-kablar (70 mm² och 95 mm² tvärsnitt) motsvarande enfasiga jordfelkapacitiva strömmar på 10 A, 30 A, 60 A, 100 A och 150 A i tabell 1. Dessa värden kan guida valet av lämplig jordningsmetod baserat på faktisk kabellängd.

Jordning via neutralpunkten möjliggör snabb felborttagning. Nollsekvensskydd kan fungera inom 0,2–2,0 sekunder för att isolera felet, vilket minskar sannolikheten för sekundära permanenta elektriska händelser och skyddar isoleringens tillförlitlighet och livslängd hos elkraftutrustning.

4. Jämförelse av vanliga metoder för jordning av neutralpunkt

4.1 Ojordad neutralsystem

Metoden med ojordad neutralpunkt ger fördelen av kontinuerlig ström leverans i 1-2 timmar under ensidiga felslut i linjer dominerade av överbystående ledningar. Men i kabelförsedda linjer tenderar denna metod att orsaka felutveckling.

4.2 Jordning av neutralpunkt genom bukspärr

I jämförelse med det ojordade neutralsystemet använder denna metod induktiv ström från bukspärren för att kompensera kapacitiv ström, vilket minskar felslutströmmen till ett nivå som kan släcka sig självt, vilket minimerar överspänningar orsakade av bågar. Detta möjliggör även 1-2 timmars kontinuerlig drift under ensidiga felslut och förhindrar att ensidiga fel utvecklas till fas-till-fasfel. Denna metod ställer dock högre krav på felskydd vid jordningsfel, kan inte identifiera den defekta linjen, är benägen för resonans och kan inte effektivt avleda restströmmar i linjen.

4.3 Jordning av neutralpunkt genom låg resistans

I kabelförsedda linjer kontrollerar metoden med låg resistans effektivt båg-jordslutsovervoltage under ensidiga felslut, undertrycker systemets resonanta överspänningar, ger god strömbegränsning och spänningsreduceringseffekt, samt erbjuder relativt hög nollsekvensöverströmskyddsprestanda, vilket underlättar tidig felborttagning. Denna metod har dock begränsningar, särskilt i delar av överbystående ledningar: ökad trippfrekvens påverkar elsystemets drift, svårar strömleveransen och ökar till viss del underhållssvårigheten för utrustningen.

5. Diskussion om metoder för jordning av neutralpunkt i järnvägsel-system

(1) Förbättra användningen av automatiserade spårningssystem för bukspärr. Denna metod har fördelen att automatiskt eliminera tillfälliga jordningsfel i elkraftsystemet, vilket minskar antalet trippear. När ett felalarm signaleras genererar den automatiserade spårningsbukspärren en motsvarande kompenserande ström, vilket möjliggör återkompensering av elkraftlinjen. Detta minskar förekomsten av kortslut mellan de tre faserna och säkerställer systemets stabilitet och säkerhet. Samtidigt, eftersom bukspärran har en specifik kritisk värde för bågsläckning, om jordningsfelströmmen är mindre än detta kritiska värde, ökar återhämtningshastigheten för spänningen under bukspärrens verkan, vilket hjälper till att släcka bågen pålitligt och minskar sannolikheten för bågens återupptändning, vilket minskar elhändelser och effektivt stöder pålitlig jordning av neutralpunkt.

(2) Vid ombyggnad av befintliga konventionella genomförselnät och automatiska blocksignaler, om kabellinjer efter ersättning av överbystående ledningar utgör en betydande andel, rekommenderas att överväga centraliserad eller distribuerad kompensation med hjälp av lådformade reaktorer för att kompensera induktiv reaktiv effekt under normal kapacitiv ström. Enligt beräkningsresultaten i tabell 2 är driftskapacitansvärdena 0,22 μF/km för 70 mm² aluminiumkabel och 0,24 μF/km för 95 mm² aluminiumkabel. Samtidigt bör anpassningar av distributionsrum övervägas, och neutralpunktsjordningsmetoderna för spänningsregulatorer i distributionsrum på båda sidor bör justeras enligt beräknade data.

I extrema fall, om systemet är ojordat och enkelfasiga kabler som uppfyller höghastighetstågsstandard används, kommer inte en enfasig jordfel att rensas inom det tillåtna fönstret på 2 timmar. Detta orsakar kontinuerlig termisk skada på kablen. Dessutom, efter att en enkelfasig kabel har skadats, är dess inverkan på angränsande faser relativt svag, vilket ytterligare förvärrar situationen genom att inte utlösa skyddstrippning, vilket lätt kan leda till systemfel.

6. Slutsats

I elkraftsystem för konventionella tåg påverkar valet av neutraljordningsmetod direkt säkerheten och stabiliteten i systemets drift. Ett olämpligt val av neutraljordning kan lätt resultera i sekundära fel och kaskadefall. Genom beräkningar och jämförande analys är ett komplett och rationellt val av neutraljordningsmetod av stor betydelse för att effektivt rensa fel, skydda utrustningsisolering, säkerställa pålitlig traktionsekraftförsörjning samt öka både person- och tågdriftssäkerhet.