Các Phương Pháp Gắn Mass cho Hệ Thống Điện Đường Sắt Tốc Độ Thường
Hệ thống điện đường sắt chủ yếu bao gồm các đường dây tín hiệu tự động, đường dây cấp điện qua máy biến áp, trạm biến áp và trạm phân phối đường sắt, và đường dây nguồn vào. Chúng cung cấp điện cho các hoạt động quan trọng của đường sắt—bao gồm tín hiệu, thông tin liên lạc, hệ thống xe lăn, xử lý hành khách tại ga và cơ sở bảo trì. Là một phần không thể thiếu của lưới điện quốc gia, hệ thống điện đường sắt thể hiện những đặc điểm riêng biệt của cả kỹ thuật điện và cơ sở hạ tầng đường sắt.
Nâng cao nghiên cứu về phương pháp nối đất trung tính cho hệ thống điện đường sắt tốc độ thông thường—and toàn diện xem xét các phương pháp này trong quá trình thiết kế, xây dựng và vận hành—có ý nghĩa rất lớn để tăng cường an toàn và độ tin cậy của nguồn điện đường sắt.
1. Tổng quan về Phương pháp Nối Đất Trung Tính trong Hệ thống Điện Đường Sắt
Phương pháp nối đất trung tính trong hệ thống điện đường sắt thường đề cập đến cấu hình nối đất của máy biến áp—một dạng nối đất chức năng (làm việc) gắn liền với mức điện áp, dòng điện ngắn mạch đơn pha, mức điện áp quá tải và các sơ đồ bảo vệ rơle. Đây là một vấn đề kỹ thuật phức tạp có thể được chia thành:
Hệ thống không nối đất chắc chắn: bao gồm hệ thống không nối đất, nối đất bằng cuộn cảm triệt hồ quang (cuộn cảm Petersen), và hệ thống nối đất bằng điện trở cao;
Hệ thống nối đất chắc chắn: bao gồm nối đất trực tiếp và nối đất bằng điện trở thấp.
Điện từ lưới điện quốc gia cung cấp cho đường sắt phổ biến sử dụng cấu hình trung tính không nối đất. Các mạch cấp điện từ trạm biến áp và trạm phân phối đường sắt thường được lấy trực tiếp từ busbar thứ cấp (đặt sau busbar nguồn vào nhưng trước bộ điều chỉnh điện áp), do đó cũng sử dụng hệ thống trung tính không nối đất. Đối với các đường dây cấp điện qua, phương pháp nối đất của máy biến áp điều chỉnh điện áp có thể được chọn dựa trên nhu cầu thực tế.
Khác với hệ thống điện đường sắt tốc độ cao—thông thường sử dụng nối đất bằng điện trở thấp—hệ thống đường sắt tốc độ thông thường chủ yếu sử dụng cấu hình trung tính không nối đất. Mặc dù cách tiếp cận này mang lại một số ưu điểm, các tiêu chuẩn an toàn đang phát triển và nâng cấp kỹ thuật liên tục đòi hỏi phải đánh giá lại chiến lược nối đất trong bối cảnh hoạt động hiện nay.
2. Ưu điểm và Hạn chế của Hệ thống Không Nối Đất Trung Tính
Theo Quy phạm Thiết kế Điện Đường Sắt (TB 10008–2015), cấu hình của các đường dây cấp điện qua nên được xác định dựa trên độ tin cậy cung cấp điện và điều kiện cụ thể của dự án, sử dụng các đường dây lai giữa cáp và đường dây treo hoặc các đường dây cáp hoàn toàn ngầm.
Do hạn chế về ngân sách và khả năng kỹ thuật, hầu hết các đường dây cấp điện qua đường sắt tốc độ thông thường đang hoạt động hiện nay chủ yếu dựa trên dây dẫn treo hoặc cấu hình lai chủ yếu là dây dẫn treo. Do đó, các sơ đồ nối đất trung tính của chúng thường sử dụng hệ thống trung tính cách điện (không nối đất) hoặc hệ thống nối đất dòng nhỏ. Theo Điều 69 của Quy tắc Quản lý Điện Đường Sắt, các lỗi ngắn mạch đơn pha trong các hệ thống như vậy phải được giải quyết kịp thời, với thời gian cho phép hoạt động khi có lỗi thường không vượt quá 2 giờ.
Dữ liệu hoạt động từ một đoạn cụ thể của cục đường sắt từ tháng 1 đến tháng 10 năm 2023 ghi nhận 152 lần mất điện, trong đó 15 lần là do lỗi thiết bị (2 lần do trách nhiệm nội bộ, 13 lần do yếu tố bên ngoài). Đặc biệt, mối đe dọa chính đối với sự ổn định của đường dây treo là tác động môi trường—nhất là sự xâm nhập của cây cỏ. Trong một vụ việc, cành cây xâm nhập vào khu vực an toàn, gây ra kết nối một phần giữa pha và đất trên dây dẫn bên. Lỗi đã được xác định và khắc phục trong khoảng thời gian 2 giờ, ngăn chặn ảnh hưởng đến hoạt động tàu và tránh các lỗi lan rộng. Điều này chứng tỏ rằng, dưới điều kiện kỹ thuật hiện tại, hệ thống không nối đất trung tính mang lại lợi ích thực tế.
Tuy nhiên, các đường dây cáp mang lại những thách thức khác. So với đường dây treo, cáp điện có biên độ cách điện thấp hơn và khả năng chịu đựng điện áp quá tải hạn chế. Trong trường hợp lỗi ngắn mạch đơn pha trong hệ thống không nối đất, điện áp pha lành mạnh tăng lên trên mức điện áp pha-đất bình thường—có thể đạt mức điện áp pha-pha—tăng nguy cơ hỏng cách điện nhiều điểm ở các pha không lỗi. Hơn nữa, dòng điện ngắn mạch do dung lượng trong hệ thống cáp tương đối lớn, dẫn đến sự suy giảm nhanh chóng của cách điện tại điểm lỗi và khả năng cao chuyển thành ngắn mạch pha-pha.
Vì cáp thường được lắp đặt bằng cách chôn, ống hoặc khay, việc xác định vị trí lỗi là khó khăn. Kết hợp với các hạn chế về kỹ thuật nối cáp, hậu cần sửa chữa và cửa sổ hoạt động đường sắt, các lỗi như vậy thường không thể được giải quyết nhanh chóng. Trên thực tế, các lỗi cáp chủ yếu do hỏng cách điện vĩnh viễn—vật liệu cách điện hữu cơ không thể tự phục hồi. Trong hệ thống không nối đất, việc không có cú cắt tức thì cho phép dòng điện lỗi kéo dài, gây hư hại cách điện nghiêm trọng, mở rộng khu vực lỗi và có thể kích hoạt các vấn đề phụ trợ như báo động màn hình điện hoặc thậm chí lỗi tín hiệu "dải đỏ" làm gián đoạn dịch vụ tàu—đôi khi dẫn đến thời gian mất điện kéo dài và rủi ro an toàn hoặc quan hệ công chúng đáng kể.
3. Chọn Phương pháp Nối Đất Trung Tính cho Hệ thống Điện Đường Sắt Tốc độ Thông Thường
Chọn phương pháp nối đất trung tính phù hợp là rất quan trọng cho hoạt động ổn định của hệ thống điện đường sắt. Thách thức cốt lõi nằm ở việc cân bằng:
Giảm thiểu việc cắt điện không cần thiết do nhiễu ngoại vi,
Đảm bảo cung cấp điện không gián đoạn cho các tải quan trọng,
Cho phép bảo vệ lỗi hiệu quả,
Kiểm soát sự lan truyền lỗi, và
Bảo đảm tính toàn vẹn điện và cách điện của thiết bị lành mạnh trong quá trình xảy ra lỗi.
Theo Quy phạm Thiết kế Điện Đường Sắt (TB 10008–2015), đối với các đường dây cấp điện qua 10(20) kV được cung cấp thông qua máy biến áp điều chỉnh, các hướng dẫn nối đất sau đây được áp dụng:
Nếu dòng điện rò rỉ một pha ≤ 10 A, hệ thống không nối đất phải được sử dụng.
Nếu dòng điện ≤ 150 A, có thể áp dụng nối đất bằng điện trở thấp hoặc nối đất bằng cuộn triệt hồ quang; nếu > 150 A, khuyến nghị sử dụng nối đất bằng điện trở thấp.
Đối với đường dây hoàn toàn bằng cáp, nên ưu tiên sử dụng nối đất bằng điện trở thấp.
Đối với nối đất bằng điện trở thấp, điện trở nối đất phải được chọn để tạo ra dòng điện rò rỉ một pha từ 200–400 A, với việc cắt ngay lập tức khi phát hiện sự cố.
Trái lại, Quy chuẩn thiết kế Tàu điện tốc độ cao (TB 10621–2014) cho phép sử dụng hệ thống trung tính không nối đất khi dòng điện rò rỉ một pha ≤ 30 A, với bồi thường thông qua cuộn cảm nối đất.
Dựa trên các tính toán từ sách hướng dẫn kỹ thuật điện đường sắt tiêu chuẩn, chiều dài cáp tối đa cho các loại cáp lõi nhôm phổ biến (đường kính 70 mm² và 95 mm²) tương ứng với dòng điện rò rỉ một pha là 10 A, 30 A, 60 A, 100 A, và 150 A được tóm tắt trong Bảng 1. Các giá trị này có thể hướng dẫn việc lựa chọn phương pháp nối đất phù hợp dựa trên chiều dài cáp thực tế.
STT Dòng điện dung một pha của cáp ba lõi (A) Dòng điện dung trung bình của cáp ba lõi có tiết diện 70 mm² (A/km) Độ dài cáp tương ứng (km) Dòng điện dung trung bình của cáp ba lõi có tiết diện 95 mm² (A/km) Độ dài cáp tương ứng (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 Điều chỉnh qua điểm trung tính cho phép loại bỏ nhanh chóng sự cố. Bảo vệ theo thứ tự không có thể hoạt động trong khoảng 0,2–2,0 giây để cách ly sự cố, giảm khả năng xảy ra sự cố điện vĩnh viễn thứ cấp và bảo vệ độ tin cậy và tuổi thọ cách điện của thiết bị điện.
4. So sánh các phương pháp nối đất trung tính thông thường
4.1 Hệ thống trung tính không nối đất
Phương pháp trung tính không nối đất mang lại lợi ích là cung cấp điện liên tục trong 1-2 giờ trong trường hợp sự cố nối đất một pha trên đường dây chủ yếu là dây dẫn treo. Tuy nhiên, trên đường dây chủ yếu là cáp, phương pháp này có xu hướng gây ra sự cố nghiêm trọng hơn.
4.2 Nối đất trung tính thông qua cuộn cảm dập hồ quang
So với hệ thống trung tính không nối đất, phương pháp này sử dụng dòng điện cảm ứng từ cuộn cảm dập hồ quang để bù dòng điện dung, giảm dòng điện sự cố xuống mức có thể tự tắt, do đó giảm thiểu quá áp do hồ quang gây ra. Nó cũng cho phép vận hành liên tục trong 1-2 giờ trong trường hợp sự cố nối đất một pha và ngăn chặn sự cố một pha phát triển thành sự cố giữa pha. Tuy nhiên, phương pháp này đặt yêu cầu cao hơn đối với bảo vệ sự cố nối đất, không thể xác định được đường dây bị lỗi, dễ xảy ra cộng hưởng và không thể xả hiệu quả điện tích dư trên đường dây.
4.3 Nối đất trung tính thông qua điện trở thấp
Trên đường dây chủ yếu là cáp, phương pháp nối đất điện trở thấp kiểm soát hiệu quả quá áp do hồ quang nối đất trong trường hợp sự cố nối đất một pha, ức chế quá áp cộng hưởng của hệ thống, cung cấp hiệu quả hạn chế dòng điện và giảm điện áp tốt, và có hiệu suất bảo vệ quá dòng thứ tự không tương đối cao, giúp loại bỏ kịp thời sự cố. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế, đặc biệt là trên đoạn đường dây treo: tần suất nhảy cầu tăng ảnh hưởng đến vận hành hệ thống điện, làm suy yếu khả năng cung cấp điện và tăng khó khăn trong việc bảo dưỡng thiết bị ở một mức độ nào đó.
5. Thảo luận về các phương pháp nối đất trung tính cho hệ thống điện đường sắt
(1) Tăng cường sử dụng thiết bị cuộn cảm dập hồ quang theo dõi tự động. Phương pháp này có ưu điểm là tự động loại bỏ sự cố nối đất tạm thời trong hệ thống điện, do đó giảm số lần nhảy cầu. Khi tín hiệu báo động sự cố được phát ra, cuộn cảm dập hồ quang theo dõi tự động tạo ra dòng điện bù tương ứng, cho phép bù lại đường dây điện. Điều này giảm thiểu sự cố ngắn mạch giữa ba pha và đảm bảo sự ổn định và an toàn của hệ thống. Đồng thời, do thiết bị dập hồ quang có giá trị giới hạn dập hồ quang cụ thể, nếu dòng điện sự cố nhỏ hơn giá trị giới hạn này, tốc độ khôi phục điện áp tăng dưới tác dụng của thiết bị dập hồ quang, giúp dập hồ quang đáng tin cậy và giảm khả năng tái đốt hồ quang, do đó giảm sự cố điện và hỗ trợ hiệu quả hoạt động nối đất trung tính đáng tin cậy.
(2) Trong quá trình cải tạo các đường dây nguồn thông qua và tín hiệu tự động hiện có, nếu tỷ lệ đường dây cáp—sau khi thay thế dây dẫn treo—chiếm phần lớn, nên cân nhắc bù tập trung hoặc phân tán bằng cách sử dụng cuộn cảm hộp để bù công suất phản kháng cảm dưới điều kiện dòng điện dung bình thường. Theo kết quả tính toán trong Bảng 2, các giá trị điện dung hoạt động là 0,22 μF/km cho cáp lõi nhôm 70 mm² và 0,24 μF/km cho cáp lõi nhôm 95 mm². Đồng thời, cần xem xét các sửa đổi thích ứng cho phòng phân phối, và điều chỉnh phương pháp nối đất trung tính của bộ điều chỉnh điện áp trong phòng phân phối hai bên dựa trên dữ liệu đã tính toán.
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 Trong trường hợp cực đoan, nếu hệ thống không được nối đất và sử dụng cáp đơn lõi tuân thủ tiêu chuẩn đường sắt tốc độ cao, sự cố chạm đất một pha sẽ không được loại bỏ trong khoảng thời gian cho phép là 2 giờ. Điều này gây ra thiệt hại nhiệt liên tục cho cáp. Hơn nữa, sau khi cáp đơn lõi bị hỏng, tác động của nó lên các pha liền kề tương đối yếu, làm trầm trọng thêm tình hình bằng cách không kích hoạt việc nhảy cầu bảo vệ, điều này có thể dễ dàng dẫn đến sự cố hệ thống.
6. Kết luận
Trong hệ thống điện đường sắt tốc độ thông thường, lựa chọn phương pháp nối đất trung tính trực tiếp ảnh hưởng đến an toàn và ổn định của quá trình vận hành hệ thống. Việc lựa chọn phương án nối đất trung tính không phù hợp có thể dễ dàng dẫn đến các sự cố thứ cấp và sự cố lan truyền. Qua tính toán và phân tích so sánh, việc lựa chọn toàn diện và hợp lý phương pháp nối đất trung tính có ý nghĩa quan trọng để hiệu quả loại bỏ sự cố, bảo vệ cách điện thiết bị, đảm bảo cung cấp điện kéo tin cậy, và nâng cao an toàn cho nhân viên và hoạt động tàu.
