วิธีการต่อกราวด์กลางสำหรับระบบพลังงานรถไฟความเร็วปกติ
ระบบไฟฟ้ารถไฟส่วนใหญ่ประกอบด้วยสายสัญญาณบล็อกอัตโนมัติ สายผ่านป้อนไฟฟ้า สถานีแปลงและจ่ายไฟฟ้ารถไฟ และสายจ่ายไฟฟ้าเข้า มันให้พลังงานแก่การดำเนินงานสำคัญของรถไฟ รวมถึงสัญญาณ การสื่อสาร ระบบขบวนรถไฟ การบริหารผู้โดยสารที่สถานี และสิ่งอำนวยความสะดวกในการบำรุงรักษา ในฐานะส่วนหนึ่งที่สำคัญของโครงข่ายไฟฟ้าประเทศ ระบบไฟฟ้ารถไฟแสดงคุณสมบัติเฉพาะของวิศวกรรมไฟฟ้าและโครงสร้างพื้นฐานรถไฟ
การเสริมสร้างการวิจัยเกี่ยวกับวิธีการต่อกราวด์กลางสำหรับระบบไฟฟ้ารถไฟความเร็วปกติ และการพิจารณาอย่างครอบคลุมวิธีเหล่านี้ในระหว่างการออกแบบ การก่อสร้าง และการดำเนินงาน มีความสำคัญอย่างมากในการเพิ่มความปลอดภัยและความเชื่อถือได้ของการจ่ายไฟฟ้ารถไฟ
1. ภาพรวมของวิธีการต่อกราวด์กลางในระบบไฟฟ้ารถไฟ
วิธีการต่อกราวด์กลางในระบบไฟฟ้ารถไฟมักหมายถึงการกำหนดการต่อกราวด์ของหม้อแปลง ซึ่งเป็นรูปแบบของการต่อกราวด์การทำงานที่เชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับระดับแรงดัน กระแสไฟฟ้าเดี่ยวที่เกิดจากความผิดพลาดทางพื้นดิน ระดับแรงดันเกิน และแผนการป้องกันวงจร มันเป็นปัญหาทางเทคนิคที่ซับซ้อนซึ่งสามารถแบ่งออกเป็น:
ระบบไม่ต่อกราวด์แน่น: รวมถึงระบบไม่ต่อกราวด์ ต่อกราวด์ด้วยคอยล์กำจัดอาร์ก (Petersen coil) และต่อกราวด์ด้วยความต้านทานสูง;
ระบบต่อกราวด์แน่น: รวมถึงต่อกราวด์ตรงและต่อกราวด์ด้วยความต้านทานต่ำ
การจ่ายไฟฟ้าจากโครงข่ายไฟฟ้าประเทศไปยังรถไฟโดยทั่วไปใช้การกำหนดการต่อกราวด์กลางที่ไม่ต่อกราวด์ วงจรผ่านป้อนจากสถานีแปลงและจ่ายไฟฟ้ารถไฟมักจะต่อจากบัสบาร์รอง (ตั้งอยู่หลังจากบัสบาร์จ่ายไฟเข้าแต่ก่อนเครื่องปรับแรงดัน) ดังนั้นจึงใช้ระบบไม่ต่อกราวด์กลางเช่นกัน สำหรับสายผ่านป้อน วิธีการต่อกราวด์ของหม้อแปลงปรับแรงดันอาจเลือกตามความต้องการจริง
ต่างจากระบบไฟฟ้ารถไฟความเร็วสูงที่มักใช้การต่อกราวด์ด้วยความต้านทานต่ำ ระบบรถไฟความเร็วปกติส่วนใหญ่ใช้การต่อกราวด์กลางที่ไม่ต่อกราวด์ ในขณะที่วิธีการนี้มีข้อดีบางประการ มาตรฐานความปลอดภัยที่เปลี่ยนแปลงและการอัปเกรดทางเทคนิคที่ดำเนินอยู่จำเป็นต้องประเมินใหม่กลยุทธ์การต่อกราวด์ในบริบทการดำเนินงานปัจจุบัน
2. ข้อดีและข้อจำกัดของระบบไม่ต่อกราวด์กลาง
ตาม รหัสการออกแบบระบบไฟฟ้ารถไฟ (TB 10008–2015) การกำหนดการต่อกราวด์สายผ่านป้อนควรกำหนดตามความเชื่อถือได้ของการจ่ายไฟฟ้าและการเงื่อนไขเฉพาะโครงการ โดยใช้สายไฮบริดเคเบิล-อากาศหรือสายเคเบิลใต้ดินทั้งหมด
เนื่องจากข้อจำกัดทางงบประมาณและความเป็นไปได้ทางเทคนิค สายผ่านป้อนรถไฟความเร็วปกติที่ดำเนินการส่วนใหญ่ในปัจจุบันพึ่งพาสายอากาศหรือการกำหนดการไฮบริดที่มีสายอากาศเป็นหลัก ดังนั้น การต่อกราวด์กลางของพวกมันมักจะใช้ระบบไม่ต่อกราวด์ (ไม่ต่อกราวด์) หรือระบบต่อกราวด์ด้วยกระแสไฟฟ้าเล็ก ๆ ตามมาตรา 69 ของ กฎการจัดการระบบไฟฟ้ารถไฟ ความผิดพลาดทางพื้นดินเดี่ยวในระบบเหล่านี้ต้องได้รับการแก้ไขอย่างรวดเร็ว โดยเวลาที่ยอมให้มีความผิดพลาดทั่วไปไม่ควรเกิน 2 ชั่วโมง
ข้อมูลการดำเนินงานจากส่วนหนึ่งของสำนักงานรถไฟระหว่างเดือนมกราคมถึงตุลาคม 2023 บันทึกการทริปไฟฟ้า 152 ครั้ง ซึ่ง 15 ครั้งเป็นความผิดพลาดจากการทำงานของอุปกรณ์ (2 ครั้งเนื่องจากความรับผิดชอบภายใน 13 ครั้งเนื่องจากปัจจัยภายนอก) ที่สำคัญ ภัยคุกคามจากสภาพแวดล้อม โดยเฉพาะการขยายตัวของพืช คือภัยคุกคามหลักต่อเสถียรภาพของสายอากาศ ในเหตุการณ์หนึ่ง แขนไม้แทรกเข้าไปในเขตห้ามล่วงล้ำ ทำให้เกิดการเชื่อมต่อระหว่างเฟสกับพื้นดินบางส่วนบนคอนดักเตอร์ข้าง ความผิดพลาดได้รับการระบุและแก้ไขภายในระยะเวลา 2 ชั่วโมง ป้องกันผลกระทบที่เกิดขึ้นต่อการดำเนินงานรถไฟและป้องกันการล้มเหลวแบบลูกโซ่ นี่แสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขทางเทคนิคที่มีอยู่ ระบบไม่ต่อกราวด์กลางมีประโยชน์ที่ปฏิบัติได้
อย่างไรก็ตาม สายเคเบิลมีความท้าทายที่แตกต่างกัน เมื่อเทียบกับสายอากาศ สายเคเบิลมีขอบเขตฉนวนที่ต่ำกว่าและทนทานต่อแรงดันเกินน้อยกว่า ในระหว่างความผิดพลาดทางพื้นดินเดี่ยวในระบบไม่ต่อกราวด์ แรงดันเฟสที่สุขภาพดีเพิ่มขึ้นเหนือระดับเฟสต่อพื้นดินปกติ อาจสูงถึงแรงดันระหว่างเฟส ทำให้ความเสี่ยงของการแตกฉนวนหลายจุดในเฟสที่ไม่มีความผิดพลาดเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ กระแสไฟฟ้าความผิดพลาดทางพื้นดินแบบคาปาซิทีฟในระบบเคเบิลมีขนาดค่อนข้างใหญ่ ทำให้ฉนวนที่จุดความผิดพลาดเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วและมีโอกาสสูงที่จะกลายเป็นการลัดวงจรระหว่างเฟส
เนื่องจากสายเคเบิลมักติดตั้งโดยวิธีฝัง ท่อ หรือถาด การระบุตำแหน่งความผิดพลาดทำได้ยาก ร่วมกับข้อจำกัดในการเชื่อมต่อสายเคเบิล การขนส่งการซ่อมแซม และช่วงเวลาการดำเนินงานรถไฟ ความผิดพลาดเหล่านี้มักไม่สามารถแก้ไขได้อย่างรวดเร็ว ในทางปฏิบัติ ความผิดพลาดของสายเคเบิลส่วนใหญ่เกิดจากการแตกฉนวนถาวร วัสดุฉนวนออร์แกนิกไม่สามารถฟื้นฟูเองได้ ในระบบไม่ต่อกราวด์ การขาดการทริปทันทีทำให้กระแสความผิดพลาดคงอยู่นาน ทำให้เกิดความเสียหายต่อฉนวนอย่างรุนแรง ขยายพื้นที่ความผิดพลาด และอาจกระตุ้นปัญหาที่สอง เช่น การแจ้งเตือนหน้าจอไฟฟ้า หรือแม้กระทั่งความผิดพลาดสัญญาณ "แดง" ที่ขัดขวางการดำเนินงานรถไฟ—บางครั้งทำให้เกิดการหยุดทำงานนานและมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยหรือความสัมพันธ์สาธารณะอย่างมาก
3. การเลือกวิธีการต่อกราวด์กลางสำหรับระบบไฟฟ้ารถไฟความเร็วปกติ
การเลือกวิธีการต่อกราวด์กลางที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการดำเนินงานระบบไฟฟ้ารถไฟที่มั่นคง ปัญหาหลักอยู่ที่การทรงตัวระหว่าง:
ลดการทริปที่ไม่จำเป็นที่เกิดจากความรบกวนภายนอก,
รับประกันการจ่ายไฟฟ้าที่ไม่หยุดยั้งให้กับโหลดสำคัญ,
ทำให้การป้องกันความผิดพลาดมีประสิทธิภาพ,
ควบคุมการกระจายความผิดพลาด และ
รักษาความสมบูรณ์ทางไฟฟ้าและฉนวนของอุปกรณ์ที่สุขภาพดีในระหว่างความผิดพลาด
ตาม รหัสการออกแบบระบบไฟฟ้ารถไฟ (TB 10008–2015) สำหรับสายผ่านป้อน 10(20) kV ที่จ่ายไฟฟ้าผ่านเครื่องปรับแรงดัน แนวทางการต่อกราวด์ต่อไปนี้มีผลบังคับใช้:
ถ้ากระแสไฟฟ้าความจุของเฟสเดียวที่เกิดจากความผิดปกติทางดิน ≤ 10 A ระบบไม่ได้ต่อกราวน์ควรใช้
ถ้ากระแสไฟฟ้า ≤ 150 A สามารถเลือกใช้วิธีการต่อกราวน์แบบต้านทานต่ำ หรือการต่อกราวน์ด้วยขดลวดลดอาร์ค หาก > 150 A แนะนำให้ใช้วิธีการต่อกราวน์แบบต้านทานต่ำ
สายไฟที่เป็นสายเคเบิลทั้งหมดควรถูกต่อกราวน์ด้วยวิธีการต้านทานต่ำ
สำหรับการต่อกราวน์แบบต้านทานต่ำ ควรเลือกตัวต้านทานกราวน์เพื่อให้กระแสไฟฟ้าของเฟสเดียวที่เกิดจากความผิดปกติทางดินอยู่ในช่วง 200–400 A และมีการกระโดดวงจรเมื่อตรวจพบความผิดปกติ
ตรงกันข้าม รหัสการออกแบบรถไฟความเร็วสูง (TB 10621–2014) อนุญาตให้ใช้ระบบกลางที่ไม่ได้ต่อกราวน์เมื่อกระแสไฟฟ้าความจุของเฟสเดียวที่เกิดจากความผิดปกติทางดิน ≤ 30 A โดยมีการชดเชยผ่านรีแอคเตอร์ที่ต่อกราวน์
ตามการคำนวณจากหนังสือคู่มือทางวิศวกรรมพลังงานรถไฟมาตรฐาน ความยาวสายเคเบิลสูงสุดที่ยอมรับได้สำหรับสายเคเบิลที่มีแกนอลูมิเนียมทั่วไป (ขนาดหน้าตัด 70 มม.² และ 95 มม.²) ที่สอดคล้องกับกระแสไฟฟ้าความจุของเฟสเดียวที่เกิดจากความผิดปกติทางดิน 10 A, 30 A, 60 A, 100 A, และ 150 A ได้รับการสรุปในตาราง 1 ค่าเหล่านี้สามารถช่วยในการเลือกวิธีการต่อกราวน์ที่เหมาะสมตามความยาวสายเคเบิลจริง
หมายเลขอนุกรม กระแสไฟฟ้าแบบเดี่ยวเฟสที่ต่อพื้นของสายเคเบิลสามแกน (A) ค่าเฉลี่ยของกระแสไฟฟ้าความจุของสายเคเบิลสามแกนขนาด 70 มม.² (A/กม.) ความยาวของสายเคเบิลที่สอดคล้อง (กม.) ค่าเฉลี่ยของกระแสไฟฟ้าความจุของสายเคเบิลสามแกนขนาด 95 มม.² (A/กม.) ความยาวของสายเคเบิลที่สอดคล้อง (กม.) 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 การต่อพื้นผิวดินผ่านจุดกลางช่วยให้สามารถกำจัดความผิดปกติได้อย่างรวดเร็ว การป้องกันลำดับศูนย์สามารถทำงานภายใน 0.2–2.0 วินาทีเพื่อแยกความผิดปกติ ลดโอกาสเกิดเหตุการณ์ไฟฟ้าถาวรระดับที่สอง และปกป้องความน่าเชื่อถือของฉนวนและอายุการใช้งานของอุปกรณ์ไฟฟ้า
4. การเปรียบเทียบวิธีการต่อพื้นผิวดินแบบกลางทั่วไป
4.1 ระบบไม่ต่อพื้นผิวดินที่จุดกลาง
วิธีการไม่ต่อพื้นผิวดินที่จุดกลางมีข้อดีคือสามารถจ่ายไฟฟ้าต่อเนื่องได้ 1-2 ชั่วโมงในกรณีที่เกิดความผิดปกติทางเดียวในสายไฟที่มีสายอากาศเป็นหลัก แต่ในสายไฟที่มีสายเคเบิลเป็นหลัก วิธีนี้มักจะทำให้ความผิดปกติขยายตัว
4.2 การต่อพื้นผิวดินผ่านขดลวดกำจัดอาร์ก
เมื่อเทียบกับระบบไม่ต่อพื้นผิวดินที่จุดกลาง วิธีนี้ใช้กระแสเหนี่ยวนำจากขดลวดกำจัดอาร์กในการชดเชยกระแสความจุ ลดกระแสความผิดปกติที่พื้นผิวดินลงสู่ระดับที่สามารถดับเองได้ ลดแรงดันเกินที่เกิดจากอาร์ก และอนุญาตให้มีการทำงานต่อเนื่องได้ 1-2 ชั่วโมงในกรณีที่เกิดความผิดปกติทางเดียว และป้องกันไม่ให้ความผิดปกติทางเดียวพัฒนาเป็นความผิดปกติระหว่างเฟส อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อกำหนดที่สูงสำหรับการป้องกันความผิดปกติที่พื้นผิวดิน ไม่สามารถระบุสายที่มีความผิดปกติได้ มีแนวโน้มเกิดการสั่นสะเทือน และไม่สามารถปล่อยประจุคงเหลือบนสายได้โดยมีประสิทธิภาพ
4.3 การต่อพื้นผิวดินผ่านความต้านทานต่ำ
ในสายไฟที่มีสายเคเบิลเป็นหลัก วิธีการต่อพื้นผิวดินผ่านความต้านทานต่ำสามารถควบคุมแรงดันเกินที่เกิดจากอาร์คพื้นผิวดินในกรณีที่เกิดความผิดปกติทางเดียวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดแรงดันเกินจากการสั่นสะเทือนของระบบ มีผลจำกัดกระแสและลดแรงดันที่ดี และมีประสิทธิภาพในการป้องกันกระแสเกินลำดับศูนย์สูง ช่วยให้สามารถกำจัดความผิดปกติได้ทันท่วงที อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อจำกัด โดยเฉพาะในส่วนของสายอากาศ: ความถี่ในการทริปเพิ่มขึ้นส่งผลกระทบต่อการทำงานของระบบไฟฟ้า ลดความสามารถในการจ่ายไฟฟ้า และเพิ่มความยากในการบำรุงรักษาอุปกรณ์ในระดับหนึ่ง
5. การหารือเกี่ยวกับวิธีการต่อพื้นผิวดินที่จุดกลางสำหรับระบบไฟฟ้ารถไฟ
(1) เพิ่มการใช้เครื่องกำจัดอาร์กที่ติดตามอัตโนมัติ วิธีนี้มีข้อดีคือสามารถกำจัดความผิดปกติชั่วคราวในระบบไฟฟ้าได้โดยอัตโนมัติ ลดจำนวนการทริป เมื่อมีสัญญาณเตือนความผิดปกติ เครื่องกำจัดอาร์กที่ติดตามอัตโนมัติจะสร้างกระแสชดเชยที่เหมาะสม ทำให้สามารถชดเชยสายไฟใหม่ ลดการเกิดความผิดปกติทางสั้นระหว่างสามเฟส และรักษาความมั่นคงและความปลอดภัยของระบบ ในขณะเดียวกัน เนื่องจากอุปกรณ์กำจัดอาร์กมีค่าวิกฤติในการดับอาร์คอยู่ หากกระแสความผิดปกติที่พื้นผิวดินน้อยกว่าค่านี้ ความเร็วในการฟื้นฟูแรงดันจะเพิ่มขึ้นภายใต้การกระทำของอุปกรณ์กำจัดอาร์ก ช่วยให้สามารถดับอาร์กได้อย่างเชื่อถือได้ และลดโอกาสในการเกิดอาร์กขึ้นใหม่ ทำให้ลดเหตุการณ์ไฟฟ้าและการสนับสนุนการทำงานของระบบต่อพื้นผิวดินที่เชื่อถือได้
(2) ในระหว่างการปรับปรุงสายไฟผ่านฟีดเดอร์และระบบสัญญาณบล็อกอัตโนมัติที่มีอยู่แล้ว ถ้าสายเคเบิล—หลังจากแทนที่สายอากาศ—มีสัดส่วนมาก ควรพิจารณาการชดเชยแบบรวมศูนย์หรือกระจายโดยใช้ตัวต้านทานแบบกล่องเพื่อชดเชยพลังงานปฏิกิริยาเหนี่ยวนำภายใต้เงื่อนไขกระแสความจุปกติ ตามผลคำนวณในตาราง 2 ค่าความจุในการทำงานคือ 0.22 μF/km สำหรับสายเคเบิลแกนอลูมิเนียมขนาด 70 mm² และ 0.24 μF/km สำหรับสายเคเบิลแกนอลูมิเนียมขนาด 95 mm² นอกจากนี้ ควรพิจารณาการปรับปรุงห้องจำหน่ายและปรับวิธีการต่อพื้นผิวดินของตัวปรับแรงดันในห้องจำหน่ายทั้งสองข้างตามข้อมูลที่คำนวณได้
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 ในกรณีที่รุนแรง หากระบบไม่ได้ต่อกราวด์และใช้สายเคเบิลแบบเดี่ยวซึ่งปฏิบัติตามมาตรฐานรถไฟความเร็วสูง การเกิดข้อผิดพลาดทางเฟสเดียวจะไม่ถูกกำจัดภายในช่วงเวลาที่อนุญาต 2 ชั่วโมง ทำให้เกิดความเสียหายทางความร้อนอย่างต่อเนื่องต่อสายเคเบิล นอกจากนี้ หลังจากที่สายเคเบิลแบบเดี่ยวได้รับความเสียหายแล้ว ผลกระทบที่มีต่อเฟสใกล้เคียงค่อนข้างน้อย ทำให้สถานการณ์แย่ลงโดยไม่สามารถกระตุ้นการทริปของวงจรป้องกัน ซึ่งอาจนำไปสู่การล้มเหลวของระบบได้ง่าย
6. สรุป
ในการเลือกวิธีการต่อกราวด์ของระบบไฟฟ้าในรถไฟความเร็วปกติ จะมีผลโดยตรงต่อความปลอดภัยและความมั่นคงในการทำงานของระบบ การเลือกวิธีการต่อกราวด์ที่ไม่เหมาะสมสามารถทำให้เกิดข้อผิดพลาดระดับที่สองและเหตุการณ์เชื่อมโยงกันได้ง่าย ผ่านการคำนวณและการวิเคราะห์เปรียบเทียบ การเลือกวิธีการต่อกราวด์ที่ครอบคลุมและสมเหตุสมผลมีความสำคัญมากในการกำจัดข้อผิดพลาดอย่างมีประสิทธิภาพ ปกป้องฉนวนของอุปกรณ์ รับประกันการจ่ายพลังงานดึงดูดที่เชื่อถือได้ และเพิ่มความปลอดภัยในการทำงานของพนักงานและรถไฟ
