Mga Paraan ng Neutral Grounding para sa mga Sistemang Pwersa ng Karaniwang Bilis na Tren
Ang mga sistema ng kuryente sa tren pangunahing binubuo ng mga linya ng automatic block signaling, through-feeder power lines, railway substations at distribution stations, at mga linya ng incoming power supply. Nagbibigay sila ng kuryente para sa mga mahalagang operasyon ng tren—kabilang ang signaling, communications, rolling stock systems, station passenger handling, at maintenance facilities. Bilang isang integral na bahagi ng pambansang grid ng kuryente, ang mga sistema ng kuryente sa tren ay nagpapakita ng malinaw na katangian ng parehong electrical power engineering at railway infrastructure.
Ang pagpapatibay ng pag-aaral sa mga pamamaraan ng neutral grounding para sa mga sistema ng kuryente ng regular-speed railway—at ang komprehensibong pag-consider ng mga pamamaraan na ito sa panahon ng disenyo, konstruksyon, at operasyon—ay napakahalaga para sa pagtaas ng seguridad at reliabilidad ng suplay ng kuryente sa tren.
1. Buod ng Mga Pamamaraan ng Neutral Grounding sa Mga Sistema ng Kuryente sa Tren
Ang pamamaraan ng neutral grounding sa mga sistema ng kuryente sa tren ay karaniwang tumutukoy sa grounding configuration ng mga transformer—isang anyo ng functional (working) grounding na nakaugnay sa voltage level, single-phase ground-fault current, overvoltage levels, at relay protection schemes. Ito ay isang masusing teknikal na isyu na maaaring maklasipiko bilang:
Non-solidly grounded systems: kabilang dito ang ungrounded, arc-suppression coil (Petersen coil) grounded, at high-resistance grounded systems;
Solidly grounded systems: kabilang dito ang direct grounding at low-resistance grounding.
Ang kuryente na ibinibigay mula sa pambansang grid sa mga tren ay pampantay na gumagamit ng ungrounded neutral configuration. Ang feeder circuits mula sa mga railway substations at distribution stations ay karaniwang nakakonekta direkta sa secondary busbar (na nasa pagitan ng incoming power bus at bago ang voltage regulator), kaya gumagamit din sila ng ungrounded neutral system. Para sa through-feeder lines, ang pamamaraan ng grounding ng voltage-regulating transformer ay maaaring pipiliin batay sa aktwal na pangangailangan.
Sa kabaligtaran ng mga sistema ng kuryente ng high-speed railway—na karaniwang gumagamit ng low-resistance grounding—ang mga sistema ng regular-speed railway ay pangunahing gumagamit ng ungrounded neutral configurations. Habang may ilang mga benepisyo ang pamamaraang ito, ang patuloy na pag-unlad ng mga standard ng kaligtasan at teknikal na pag-upgrade ay nag-uudyok ng muling pagsusuri ng mga estratehiya ng grounding sa kasalukuyang kontekstong operasyonal.
2. Mga Benepisyo at Limitasyon ng Ungrounded Neutral Systems
Ayon sa Railway Power Design Code (TB 10008–2015), ang configuration ng through-feeder lines ay dapat matutukoy batay sa reliabilidad ng suplay ng kuryente at kondisyong espesipiko ng proyekto, gamit ang overhead-cable hybrid lines o fully underground cable lines.
Dahil sa mga limitasyon sa budget at teknikal na feasibility, ang karamihan sa mga operational na regular-speed railway through-feeder lines sa kasalukuyan ay pangunahing umiiral sa overhead conductors o overhead-dominant hybrid configurations. Bilang resulta, ang kanilang mga neutral grounding schemes ay karaniwang gumagamit ng insulated-neutral (ungrounded) o small-current grounding systems. Ayon sa Article 69 ng Railway Power Management Rules, ang mga single-phase ground faults sa mga sistemang ito ay dapat agad na ma-address, na ang pinahihintulutan na oras ng fault operation ay hindi lumalampas sa 2 oras.
Ang mga data ng operasyon mula sa isang tiyak na segmento ng railway bureau sa pagitan ng Enero at Oktubre 2023 ay nag-record ng 152 power trips, kung saan 15 ay dahil sa mga failure ng equipment (2 na dahil sa internal responsibility, 13 sa external factors). Mahalagang tandaan na ang mga environmental hazards—lalo na ang vegetation encroachment—ay ang pangunahing banta sa estabilidad ng overhead line. Sa isang insidente, ang mga sanggol ng puno ay pumasok sa clearance zone, nagresulta sa partial phase-to-ground connection sa isang side conductor. Ang fault ay natuklasan at na-resolve sa loob ng 2-hour window, na nagprevented ng anumang epekto sa operasyon ng tren at nag-iwas sa cascading failures. Ito ay nagpapakita na, sa kasalukuyang teknikal na kondisyon, ang mga ungrounded neutral systems ay nagbibigay ng praktikal na benepisyo.
Gayunpaman, ang mga cable lines ay nagbibigay ng iba't ibang hamon. Kumpara sa overhead lines, ang mga power cables ay may mas mababang insulation margins at limited overvoltage tolerance. Sa panahon ng single-phase ground fault sa ungrounded system, ang healthy-phase voltages ay tataas pa sa normal phase-to-ground levels—potentially reaching line-to-line voltage—na nagdudulot ng mas mataas na panganib ng multi-point insulation breakdown sa non-fault phases. Bukod dito, ang capacitive ground-fault currents sa mga cable systems ay relatibong malaki, na nagdudulot ng mabilis na degradation ng insulation sa fault point at mataas na posibilidad ng pag-evolve sa phase-to-phase short circuits.
Dahil karaniwang inilalatag ang mga cable sa pamamaraang buried, conduit, o tray, ang pag-locate ng fault ay mahirap. Kasama ang mga limitasyon sa cable jointing techniques, repair logistics, at railway operational windows, ang mga fault na ito ay madalas hindi mabilis na na-resolve. Sa praktika, ang mga cable failures ay pangunahing dahil sa permanenteng insulation breakdown—ang organic insulation materials ay hindi maaaring self-recover. Sa isang ungrounded system, ang kakulangan ng immediate tripping ay nagpapahintulot ng prolonged fault currents, na nagdudulot ng seryosong damage sa insulation, nagpapalaganap ng fault zone, at potensyal na nag-trigger ng secondary issues tulad ng power screen alarms o kahit "red-band" signal failures na nag-disrupt sa serbisyo ng tren—kadang nagresulta sa prolonged outages at significant safety o public relations risks.
3. Pagpipili ng Mga Pamamaraan ng Neutral Grounding para sa Mga Sistema ng Kuryente ng Regular-Speed Railway
Ang tamang pagpipili ng neutral grounding method ay kritikal para sa stable na operasyon ng railway power. Ang pangunahing hamon ay naka-focus sa:
Minimizing unnecessary tripping dahil sa external disturbances,
Ensuring uninterrupted power sa critical loads,
Enabling effective fault protection,
Controlling fault propagation, at
Maintaining electrical at insulation integrity ng healthy equipment sa panahon ng faults.
Ayon sa Railway Power Design Code (TB 10008–2015), para sa 10(20) kV through-feeder lines na ibinibigay via voltage regulators, ang sumusunod na guidelines sa grounding ay aplikable:
Kung ang single-phase ground-fault capacitive current ≤ 10 A, dapat gamitin ang ungrounded system.
Kung ang current ≤ 150 A, maaaring pumili ng low-resistance grounding o arc-suppression coil grounding; kung > 150 A, inirerekomenda ang low-resistance grounding.
Ang mga linya na buong cable-based ay dapat gamitin ang low-resistance grounding.
Para sa low-resistance grounding, dapat pumili ng grounding resistor upang magbigay ng single-phase ground current na 200–400 A, kasama ang instantaneous tripping kapag natukoy ang fault.
Sa kabilang banda, ang High-Speed Railway Design Code (TB 10621–2014) nagpapahintulot ng ungrounded neutral systems kung ang ground-fault capacitive current ≤ 30 A, kasama ang compensation sa pamamagitan ng neutral-grounded reactor.
Batay sa mga kalkulasyon mula sa standard railway power engineering handbooks, ang pinakamataas na pinahihintulutang haba ng cable para sa karaniwang aluminum-core cables (70 mm² at 95 mm² cross-sections) na may single-phase ground-fault capacitive currents na 10 A, 30 A, 60 A, 100 A, at 150 A ay sumariri sa Table 1. Ang mga halagang ito ay maaaring gabayan sa pagpili ng angkop na grounding method batay sa aktwal na haba ng cable.
Seryal No. Ilang kapasitibong kuryente ng iisang phase na pag-ground sa tatlong-core cable (A) Pangkaraniwang kapasitibong kuryente ng tatlong-core 70 mm² cross-section cable (A/km) Kasaglapan ng cable (km) Pangkaraniwang kapasitibong kuryente ng tatlong-core 95 mm² cross-section cable (A/km) Kasaglapan ng cable (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 Ang pag-ground sa pamamagitan ng neutral point ay nagbibigay-daan para sa mabilis na pag-alis ng kaparaanan. Ang zero-sequence protection ay maaaring gumana sa loob ng 0.2–2.0 segundo upang i-isolate ang kaparaanan, na binabawasan nito ang probabilidad ng pangalawang permanenteng elektrikal na kaparaanan at pinoprotektahan ang reliabilidad at serbisyo ng insulasyon ng mga kagamitang pampower.
4. Paghahambing ng Karaniwang Mga Paraan ng Neutral Grounding
4.1 Ungrounded Neutral System
Ang ungrounded neutral method ay nagbibigay ng pakinabang ng patuloy na power supply sa 1–2 oras sa panahon ng single-phase ground faults sa mga linya na pinaghaharian ng overhead conductors. Gayunpaman, sa cable-dominated lines, ang paraang ito ay may tendensyang magdulot ng pag-escalate ng kaparaanan.
4.2 Neutral Grounding via Arc-Suppression Coil
Kumpara sa ungrounded neutral system, ang paraang ito ay gumagamit ng inductive current ng arc-suppression coil upang kompensahin ang capacitive current, na binabawasan nito ang ground-fault current sa isang lebel na maaaring self-extinguish, na siyang nagbabawas ng overvoltages na dulot ng ark. Ito din ay nagbibigay ng 1–2 oras ng patuloy na operasyon sa panahon ng single-phase ground faults at nagpapahinto sa single-phase faults na maging phase-to-phase faults. Gayunpaman, ang paraang ito ay naglalapat ng mas mataas na pangangailangan sa ground-fault protection, hindi makakilala ang faulty line, madaling mag-resonance, at hindi maaaring mabisa na idiskarga ang residual charges sa linya.
4.3 Neutral Grounding via Low Resistance
Sa cable-dominated lines, ang low-resistance grounding method ay maaaring mabisa na kontrolin ang overvoltages na dulot ng ark-ground fault sa panahon ng single-phase ground faults, suppresyon ng system resonant overvoltages, nagbibigay ng mahusay na current-limiting at voltage-reducing epekto, at nagbibigay ng mataas na zero-sequence overcurrent protection performance, na nagpapadali sa oportunong pag-eliminate ng kaparaanan. Gayunpaman, ang paraang ito ay may limitasyon, lalo na sa mga seksyon ng overhead line: ang pagtaas ng frequency ng tripping ay nakakaapekto sa operasyon ng power system, nagpapahina ng kakayahan ng power supply, at nagpapataas ng hirap ng maintenance ng equipment sa ilang antas.
5. Pagsusuri ng Mga Paraan ng Neutral Grounding para sa Railway Power Systems
(1) Palakasin ang paggamit ng automatic tracking arc-suppression coil devices. Ang paraang ito ay may pakinabang ng automatikong pag-eliminate ng transient ground faults sa power system, na siyang nagbabawas ng bilang ng mga trip. Kapag inilabas ang alarm signal ng kaparaanan, ang automatic tracking arc-suppression coil ay lumilikha ng katugon compensating current, na nagbibigay-daan sa re-compensation ng power line. Ito ay nagbabawas ng pag-occur ng short-circuit faults sa tatlong phases at sinisiguro ang estabilidad at seguridad ng sistema. Sa parehong panahon, dahil ang arc-suppression device ay may tiyak na critical value ng arc-extinguishing, kung ang ground-fault current ay mas maliit kaysa sa critical value, ang speed ng voltage recovery ay tumataas sa ilalim ng aksyon ng arc-suppression device, na siyang tumutulong sa reliable na pag-eliminate ng ark at nagbabawas ng posibilidad ng muling pag-ignite ng ark, na nagbabawas ng mga insidente ng power at mabubuting suporta sa reliable na neutral grounding operation.
(2) Sa panahon ng renovation ng umiiral na conventional-speed through-feeder at automatic block signaling lines, kung ang cable lines—pagkatapos ng pagpalit ng overhead lines—ay may malaking bahagi, inirerekomenda na isipin ang centralized o distributed compensation gamit ang box-type reactors upang kompensahin ang inductive reactive power sa normal capacitive current conditions. Ayon sa resulta ng pagkalkula sa Table 2, ang operating capacitance values ay 0.22 μF/km para sa 70 mm² aluminum-core cable at 0.24 μF/km para sa 95 mm² aluminum-core cable. Samantalang, dapat isipin ang adaptability modifications sa distribution rooms, at ang mga paraan ng neutral grounding ng mga voltage regulators sa distribution rooms sa parehong sides ay dapat ayusin ayon sa kalkuladong 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 Sa mga ekstremong kaso, kung ang sistema ay hindi naka-ground at ang mga single-core cable—na sumasaklaw sa mga pamantayan ng high-speed railway—ay ginagamit, ang isang single-phase ground fault ay hindi matatanggal sa pinahihintulutang 2-na oras na bintana. Ito ang nagdudulot ng patuloy na thermal damage sa cable. Bukod dito, pagkatapos masira ang isang single-core cable, ang epekto nito sa mga adjacent phases ay relatibong mahina, na lalo pang nagpapalala sa sitwasyon dahil hindi ito nakakapag-trigger ng protective tripping, na madaling magresulta sa mga system failure.
6. Pagtatapos
Sa mga power system ng conventional-speed railway, ang pagpili ng paraan ng neutral grounding ay direktang nakakaapekto sa kaligtasan at estabilidad ng operasyon ng sistema. Ang hindi angkop na pagpili ng neutral grounding scheme ay madaling magresulta sa secondary faults at cascading incidents. Sa pamamagitan ng pagsusuri at komparatibong analisis, ang komprehensibong at rasyonal na pagpili ng paraan ng neutral grounding ay may malaking kahalagahan upang mabigyang-diin ang epektibong pagtatalo ng mga fault, proteksyon ng insulasyon ng mga equipment, sigurado na supply ng traction power, at pagpapataas ng kaligtasan ng mga tao at operasyon ng tren.
