Geleneksel Hızlı Demiryolu Güç Sistemleri için Nötr Bağlama Yöntemleri

Demir yolu güç sistemleri, otomatik blok sinyal hatları, geçiş besleme hatları, demir yolu alt istasyonları ve dağıtım istasyonları, gelen enerji hatlarından oluşur. Kritik demir yolu operasyonlarına elektrik sağlar—sinyal, iletişim, vagon sistemleri, istasyon yolcu hizmetleri ve bakım tesisleri dahil. Ulusal elektrik şebekesinin bir parçası olarak, demir yolu güç sistemleri hem elektrik mühendisliği hem de demir yolu altyapısı açısından belirgin özellikler gösterir.

Geleneksel hızlı demir yolu güç sistemlerinde nötr bağlama yöntemlerine yönelik araştırmaları güçlendirme ve tasarım, inşaat ve işletme aşamalarında bu yöntemleri kapsamlı olarak düşünmek, demir yolu güç arzının güvenilirliğini ve güvenliğini artırmak için son derece önemlidir.

1. Demir Yolu Güç Sistemlerinde Nötr Bağlama Yöntemlerine Genel Bakış

Demir yolu güç sistemlerinde nötr bağlama yöntemi genellikle transformatörlerin bağlama konfigürasyonuna atıfta bulunur—bu, gerilim seviyesi, tek faz toprak suyu akımı, aşırı gerilim seviyeleri ve röle koruma şemalarıyla yakından ilişkili işlevsel (çalışma) bir bağımlılıktır. Bu, karmaşık bir teknik sorun olup, geniş kategoriler halinde sınıflandırılabilir:

• Katıksız bağlı sistemler: yerdeğersiz, yay-supresyon bobini (Petersen bobini) bağlı ve yüksek dirençli bağlı sistemler;

• Katı bağlı sistemler: doğrudan bağlantı ve düşük dirençli bağlantı.

Ulusal şebekeye bağlı demir yollarına sağlanan güç genellikle yerdeğersiz nötr konfigürasyonu kullanır. Demir yolu alt istasyonları ve dağıtım istasyonlarından gelen besleme hatları genellikle ikincil busbardan (gelen güç busbarından sonra ancak gerilim düzenleyiciden önce) doğrudan ayrılır, böylece yerdeğersiz nötr sistemi kullanır. Geçiş besleme hatları için, gerilim düzenleyici transformatörünün bağlama yöntemi gerçek ihtiyaçlara göre seçilebilir.

Yüksek hızlı demir yolu güç sistemlerinden farklı olarak, geleneksel hızlı demir yolu sistemleri çoğunlukla yerdeğersiz nötr konfigürasyonlarını kullanır. Bu yaklaşım bazı avantajlar sunar, ancak gelişen güvenlik standartları ve sürekli teknik güncellemeler günümüzün işletimsel bağlamında bağlama stratejilerinin yeniden değerlendirilmesini gerektirir.

2. Yerdeğersiz Nötr Sistemlerin Avantajları ve Sınırlamaları

Demir Yolu Güç Tasarım Kodu (TB 10008–2015)’na göre, geçiş besleme hatlarının konfigürasyonu, güç arzının güvenilirliğine ve projeye özgü koşullara dayanarak, havadan-kablo hibrit hatlar veya tamamen yeraltı kablo hatları kullanılarak belirlenmelidir.

Bütçe kısıtlamaları ve teknik uygunluk nedeniyle, şu anda faaliyette olan çoğu geleneksel hızlı demir yolu geçiş besleme hattı, genellikle havadan iletkenler veya havadan baskın hibrit yapılandırmalara dayanmaktadır. Bu nedenle, nötr bağlama şemaları genellikle yalıtılmış nötr (yerdeğersiz) veya küçük akım bağlama sistemlerini kullanır. Demir Yolu Güç Yönetimi Kuralları’nın 69. maddesine göre, bu sistemlerdeki tek faz toprak suyu akımları genellikle 2 saat içinde çözmeli, izin verilen hata işlem süresi genellikle 2 saati aşmamalıdır.

Belirli bir demir yolu bürosu bölgesinde Ocak ile Ekim 2023 arasında kaydedilen operasyonel verilere göre, 152 güç kesintisi meydana geldi, bunların 15’i ekipmanla ilgili hatalardı (2’si iç sorumluluk, 13’ü dış faktörlere bağlı). Notable olarak, çevre tehlikeleri—özellikle bitki örtüsü—havadan hatların istikrarına karşı ana tehdit oluşturur. Bir olayda, ağaç dalları temiz alanın içine girdi, yan iletken üzerinde kısmi faz-to-priz bağlantısına neden oldu. Hata 2 saatlik pencerede tanımlandı ve çözüldü, bu da tren operasyonlarına hiçbir etkisi olmamasını ve ardışık hataların önlenmesini sağladı. Bu, mevcut teknik koşullar altında yerdeğersiz nötr sistemlerin pratik avantajları sunduğunu gösterir.

Ancak, kablo hatları farklı zorluklar sunar. Havadan hatlara kıyasla, güç kablolarının yalıtım marjı daha düşük ve aşırı gerilim toleransı sınırlıdır. Yerdeğersiz bir sistemde tek faz toprak suyu akımı sırasında, sağlıklı faz gerilimleri normal faz-to-priz seviyelerinin üstüne çıkar—potansiyel olarak hat-to-hat gerilime ulaşabilir—bu, non-hata faza çok noktalı yalıtım bozulması riskini artırır. Ayrıca, kablo sistemlerinde kapasitif toprak suyu akımları nispeten büyüktür, bu da hata noktasındaki yalıtımın hızlı bir şekilde bozulmasına ve faz-to-faz kısa devrelerine dönüşme olasılığını artırır.

Kablolarda genellikle gömülmüş, boru veya ray metotları kullanılarak yüklendiği için, hata konumu belirlemesi zordur. Kablo birleştirme tekniklerindeki kısıtlamalar, onarım lojistiği ve demir yolu operasyon pencereleriyle birlikte, bu hatalar genellikle hızlı bir şekilde çözülemez. Pratikte, kablo hataları çoğunlukla kalıcı yalıtım bozulmasına bağlıdır—organik yalıtım malzemeleri kendiliğinden kurtulamaz. Yerdeğersiz bir sistemde, anında tripping olmaması, uzun süreli hata akımlarına izin verir, bu da ciddi yalıtım hasarına, hata bölgesinin genişlemesine ve potansiyel olarak ikincil sorunlara—güç ekranı uyarılarına veya hatta "kırmızı bant" sinyal hatalarına—neden olabilir, bu da tren hizmetlerini bozar—bazen uzun süreli kesintilere ve önemli güvenlik veya halkla ilişkiler risklerine neden olur.

3. Geleneksel Hızlı Demir Yolu Güç Sistemleri için Nötr Bağlama Yöntemlerinin Seçimi

Uygun nötr bağlama yönteminin seçilmesi, demir yolu güç operasyonunun istikrarı için kritik öneme sahiptir. Temel zorluk, dış rahatsızlıklardan kaynaklanan gereksiz trippingin en aza indirilmesi, kritik yüklerin kesintisiz enerji sağlaması, etkili hata koruması, hata yayılmasının kontrolü ve hatalar sırasında sağlıklı ekipmanların elektriksel ve yalıtım bütünlüğünü koruma arasında denge kurmaktır.

• Dış rahatsızlıklardan kaynaklanan gereksiz trippingin en aza indirilmesi,

• Kritik yüklerin kesintisiz enerji sağlaması,

• Etkili hata koruması,

• Hata yayılmasının kontrolü, ve

• Hatalar sırasında sağlıklı ekipmanların elektriksel ve yalıtım bütünlüğünü koruma.

Demir Yolu Güç Tasarım Kodu (TB 10008–2015)’na göre, voltaj düzenleyiciler aracılığıyla sağlanan 10(20) kV geçiş besleme hatları için aşağıdaki bağlama yönergeleri uygulanır:

• Eğer tek faz topraklama kapasitif akımı ≤ 10 A ise, topraksız bir sistem kullanılmalıdır.

• Eğer akım ≤ 150 A ise, düşük dirençli topraklama veya yay kapatma bobini topraklaması uygulanabilir; eğer > 150 A ise, düşük dirençli topraklama önerilir.

• Tamamen kablo tabanlı hatlarda düşük dirençli topraklama tercih edilmelidir.

• Düşük dirençli topraklama için, topraklama direnci, hatanın tespit edildiği anda anında atlatılacak şekilde tek faz topraklama akımının 200–400 A olması için seçilmelidir.

Buna karşılık, Yüksek Hızlı Tren Tasarım Kuralı (TB 10621–2014), topraklama kapasitif akımı ≤ 30 A olduğunda nötral topraksız sistemleri izin verir ve nötral topraklanmış reaktör aracılığıyla telafi sağlar.

Standart demiryolu elektrik mühendisliği el kitaplarından yapılan hesaplamalara göre, yaygın alüminyum çekirdekli kablolar (70 mm² ve 95 mm² kesit alanları) için, 10 A, 30 A, 60 A, 100 A ve 150 A tek faz topraklama kapasitif akımlarına karşılık gelen maksimum izin verilen kablo uzunlukları Tablo 1'de özetlenmiştir. Bu değerler, gerçek kablo uzunluğuna dayalı olarak uygun bir topraklama yönteminin seçilmesine rehberlik edebilir.

Nötr nokta üzerinden yerleştirmek hızlı arıza temizlemesini sağlar. Sıfır-dizi koruması, arızayı 0.2–2.0 saniye içinde izole ederek ikincil kalıcı elektrik olaylarının olasılığını azaltarak ve güç ekipmanlarının yalıtım güvenilirliğini ve hizmet ömrünü korur.

4. Yaygın Nötr Yerleştirme Yöntemlerinin Karşılaştırılması

4.1 Yerleştirilmemiş Nötr Sistem

Yerleştirilmemiş nötr yöntemi, hat boyunca tek fazlı toprak hatları sırasında 1-2 saatlik sürekli güç tedarik avantajı sunar. Ancak, kablosal hatlarda bu yöntem genellikle arızanın artmasına neden olur.

4.2 Yay Dalgası Kaldırma Bobini ile Nötr Yerleştirme

Yerleştirilmemiş nötr sistemle karşılaştırıldığında, bu yöntem yay dalgası kaldırma bobininin endüktif akımını kullanarak kapasitif akımı telafi eder, toprak hat arızası akımını kendiliğinden sönebilecek bir seviyeye düşürür, böylece yay oluşumundan kaynaklanan aşırı gerilimleri minimize eder. Ayrıca, tek fazlı toprak hatları sırasında 1-2 saatlik sürekli işletim sağlar ve tek fazlı hat arızalarının faz-arası hatlara dönüşmesini önler. Ancak, bu yöntem toprak hat korumasına daha yüksek gereksinimler getirir, hatalı hatı belirleyemez, rezonansa eğilimlidir ve hat üzerindeki kalan yükü etkili şekilde boşaltamaz.

4.3 Düşük Direnç ile Nötr Yerleştirme

Kablosal hatlarda, düşük dirençli yerleştirme yöntemi tek fazlı toprak hatları sırasında yay-toprak aşırı gerilimlerini etkili bir şekilde kontrol eder, sistem rezonans aşırı gerilimlerini baskılar, iyi akım sınırlama ve gerilim azaltma etkileri sağlar ve sıfır-dizi aşırı akım koruması performansı açısından göreceli olarak yüksek seviyede performans gösterir, böylece zamanında arızayı ortadan kaldırmasını sağlar. Ancak, bu yöntem, özellikle hava yolu hat bölümleri için sınırlamaları vardır: artan atlamaların frekansı güç sisteminin çalışmasını etkiler, güç tedarik yeteneğini zayıflatır ve ekipman bakım zorluğunu bir ölçüde artırır.

5. Demiryolu Güç Sistemleri için Nötr Yerleştirme Yöntemleri Üzerine Tartışma

(1) Otomatik takip yapabilen yay dalgası kaldırma bobini cihazlarının kullanımı artırılmalıdır. Bu yaklaşım, güç sisteminde geçici toprak hatlarını otomatik olarak ortadan kaldırma avantajına sahiptir, bu da atlamaların sayısını azaltır. Arıza uyarı sinyali verildiğinde, otomatik takip yapabilen yay dalgası kaldırma bobini, karşılık gelen telafi akımı oluşturarak güç hattını yeniden telafi eder. Bu, üç faz arasındaki kısa devre arızalarının oluşmasını azaltır ve sistemin istikrar ve güvenliğini sağlar. Ayrıca, yay dalgası kaldırma cihazı belirli bir yay söndürme kritik değeri olduğundan, toprak hat arızası akımı bu kritik değerden küçükse, yay dalgası kaldırma cihazının etkisiyle voltaj kurtarma hızı artar, yayın güvenilir bir şekilde söndürülmesine yardımcı olur ve yayın yeniden yanma olasılığını azaltır, bu da güç olaylarını azaltır ve güvenilir nötr yerleştirme işlemini etkili bir şekilde destekler.

(2) Mevcut geleneksel hızlı geçiş besleme ve otomatik bloklama hattı yenileme sırasında, hava yolu hatlarının yerine geçen kablosal hatların önemli bir oranını oluşturduğunda, kutu tipi reaktörler kullanarak merkezi veya dağıtılmış telafi düşünülmelidir, normal kapasitif akım koşulları altında endüktif reaktif gücün telafisini sağlar. Tablo 2'deki hesaplama sonuçlarına göre, 70 mm² alüminyum çekirdekli kablo için çalışma kapasitesi 0.22 μF/km, 95 mm² alüminyum çekirdekli kablo için ise 0.24 μF/km'dir. Aynı zamanda, dağıtım odalarındaki uyumluluk değişiklikleri de göz önünde bulundurulmalı ve her iki taraftaki dağıtım odalarındaki voltaj düzenleyicilerinin nötr yerleştirme yöntemleri hesaplanan verilere dayanarak uygun şekilde ayarlanmalıdır.

Aşırı durumlarda, sistem yerleştirmeden ve yüksek hızlı demiryolu standartlarına uygun tek çekirdekli kablolar kullanıldığında, bir fazlı toprağa bağlı arızanın izin verilen 2 saatlik pencere içinde temizlenmeyeceği ortaya çıkar. Bu, kabloya sürekli termal hasar neden olur. Ayrıca, tek çekirdekli bir kablo hasar gördükten sonra, bitişik fazlara olan etkisi nispeten zayıf olduğundan, koruyucu devre açma tetiklenmemesi durumu, kolayca sistematik başarılara yol açabilir.

6. Sonuç

Geleneksel hızda demiryolu güç sistemlerinde, nötr bağlama yönteminin seçimi doğrudan sistemin güvenilir ve istikrarlı çalışmasını etkiler. Nötr bağlama şeması için uygun olmayan bir seçim, ikincil arızalar ve kademeli olaylara kolayca yol açabilir. Hesaplamalar ve karşılaştırmalı analizler aracılığıyla, nötr bağlama yöntemini kapsamlı ve rasyonel bir şekilde seçmek, arızaları etkili bir şekilde temizlemek, ekipman yalıtımını korumak, güvenilir çekme gücü sağlamak ve hem personel hem de tren operasyon güvenliğini artırmak açısından büyük önem taşır.