Wpływ stosowania taboru z hamowaniem odzyskowym na sieć powrotną zelektryfikowanego transportu miejskiego

Transkrypt

1 SZELĄG Adam 1 MACIOŁEK Tadeusz 2 DRĄŻEK Zbigniew 3 Wpływ stosowania taboru z hamowaniem odzyskowym na sieć powrotną zelektryfikowanego transportu miejskiego WSTĘP W ostatnich latach w systemach transportu szynowego w Polsce, w dużym stopniu dzięki środkom z UE, daje się zauważyć znaczącą poprawę. Dotyczy to taboru wymieniany jest na nowy lub stary i wyeksploatowany poddawany jest znaczącej modernizacji. Zwiększa się liczba tramwajów wyposażonych w układy do zwrotu energii do sieci trakcyjnej [13,18,20,21,24]. Niestety, zwykle nie idzie to w parze z modernizacją układu zasilania, którego stan nie pozwoli na pełne wykorzystanie możliwości nowego taboru, a niekiedy może powodować wzrost zagrożeń związanych ze zmianą charakteru poboru prądu (w tym zwiększenie udziału harmonicznych) [17], emisji pól elektromagnetycznych [19] i obciążeń sieci trakcyjnej [2,3,4] wynikających ze wzrostu mocy tramwajów. Rosną także spadki napięcia w sieci trakcyjnej tak zasilającej jak i powrotnej [5,6,7,9,10,13,16,22,23,25]. Obwód powrotny układu zasilania zelektryfikowanego transportu szynowego obejmuje oprócz szyn jezdnych połączenia poprzeczne międzytokowe i międzytorowe, obwody uszynień, kable powrotne i szynę minusową podstacji trakcyjnej oraz ewentualnie dławiki torowe (w przypadku stosowania obwodów torowych), Zasadniczo w transporcie miejskim szyny jezdne nie są wykorzystywane jako tor sygnałowy dla urządzeń zabezpieczenia i sterowania ruchem, choć w nowo budowanych systemach można spotkać takie rozwiązania [5]. Dlatego też wymagania dotyczące minimalnej wartości rezystancji przejścia szyn do ziemi jednego toru lub torów linii wielotorowej nie muszą spełniać wymagań stawianych sieciom powrotnym linii kolejowych ze względu na prawidłowość działania tych obwodów. Różne są także warunki środowiskowe, w których pracują sieci szynowe trakcji kolejowej i miejskiej. Nasycenie obszarów miejskich urządzeniami podziemnymi (kable, rurociągi, fundamenty itp.) wymusza dla miejskiej trakcji elektrycznej znacznie ostrzejsze wymagania odnośnie prądów błądzących niż dla trakcji kolejowej [10]. Pomimo że napięcia robocze obwodów zasilania miejskiej trakcji elektrycznej ( kv) są niższe od napięć trakcji kolejowej, wymagania ochrony przeciwporażeniowej z racji łatwego dostępu do urządzeń i sieci trakcyjnej (konstrukcje wsporcze, szyny) na terenie zurbanizowanym powinny być ostrzejsze od analogicznych wymagań stawianych obwodom zasilania trakcji kolejowej. O ile same porażenia nie muszą od razu powodować skutków śmiertelnych, to np. dotknięcie wagonu lub konstrukcji (słupa, wiaty) może spowodować szok, wypadek i uszkodzenia ciała. Dla transportu szynowego kolejowego wymagane jest aby zarządzanie bezpieczeństwem przez zarządców infrastruktury i przewoźników opierało się na analizie ryzyka indywidualnego dla: podróżnych, pracowników własnych i kontrahentów oraz na analizie ryzyka społecznego. 1. BEZPIECZEŃSTWO W SYSTEMACH ZELEKTRYFIKOWANEGO TRANSPORTU W normalnych warunkach pracy systemu transportu szynowego nie powinny występować na urządzeniach konstrukcji i obwodach powrotnych napięcia w stosunku do ziemi lub w stosunku do szyn o wartościach mogących stanowić zagrożenie bezpieczeństwa użytkowników linii, personelu obsługi i osób postronnych. W stanach awaryjnych (uszkodzenie izolacji, zerwanie sieci trakcyjnej, awaria w pojeździe itp.) system powinien spełniać wymagania ochrony przeciwporażeniowej 1 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny; Warszawa; adam.szelag@ee.pw.edu.pl 2 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny; Warszawa; tadeusz.maciolek@ee.pw.edu.pl 3 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny; Warszawa; zbigniew.drazek@ee.pw.edu.pl 4673

2 (wielkości napięć i czasy ich odłączenia) [9]. Zgodnie z wymaganiami norm infrastruktura zelektryfikowanego transportu powinna mieć jeden zintegrowany system ochrony wokół trasy linii, a problemy bezpieczeństwa funkcjonowania systemu w stanach roboczych i awaryjnych powinny być uwzględnione już na etapie jego projektowania i weryfikowane pomiarowo w trakcie uruchamiania i eksploatacji. Powrotna sieć szynowa jako element obwodu zasilania, jest wykorzystywana do przyłączenia uszynienia przewodzących konstrukcji, części obcych znajdujących się w strefie bezpośredniego oddziaływania odbieraka prądu i sieci trakcyjnej (konstrukcje wsporcze, wiaty, wiadukty, itp.). Przez nią 'domykane' są prądy zwarciowe płynące przy awariach izolacji. Uszynienie przewodzących części obcych (w normalnych warunkach nie wchodzących w skład obwodu przewodzącego robocze prądy trakcyjne) wywiera istotny wpływ na: a) skuteczność wyłączania prądów zwarciowych w przypadku uszkodzenia lub zbocznikowania izolacji głównej sieci trakcyjnej (górnej lub bocznej), b) upływność prądów błądzących, c) bezpieczeństwo użytkowników systemu i personelu. Stosowane są następujące rodzaje uszynienia: bezpośrednie (zamknięte) z ciągłym połączeniem metalicznym pośrednie (otwarte) zapewniające w normalnych warunkach roboczych przerwę izolacyjną w przewodzie uszyniającym za pomocą urządzenia zwierającego (zwiernik-ochronnik napięciowy, iskiernik, urządzenie półprzewodnikowe lub stycznikowe), które czasowo lub trwale tworzy połączenie przewodzące w przypadku przekroczenia dopuszczalnej wartości napięcia, indywidualne (gdy uszynieniu podlega pojedyncza konstrukcja wsporcza) lub grupowe (gdy stosuje się specjalne przewody uszyniające, łączące grupę elementów). Bardziej skomplikowane uszynienia pośrednie (np. uszynienie grupowe otwarte) spełniają wymagania w odniesieniu do zagadnień a.), b.) i c.), gdyż w normalnych warunkach roboczych (kiedy napięcie szyny-uszyniana konstrukcja jest niskie) konstrukcja jest izolowana od szyn, natomiast w przypadku pojawienia się zbyt wysokiego napięcia konstrukcja-szyny (np. w przypadku uszkodzenia izolacji głównej sieci trakcyjnej) przerwa izolacyjna jest samoczynnie zwierana i konstrukcja staje się przejściowo (do czasu zaniku napięcia) uszyniona (zwarcie do konstrukcji wsporczej staje się zwarciem metalicznym). Warunkiem koniecznym zapewniającym bezpieczeństwo pasażerów jest skuteczne i szybkie wyłączenie każdego zwarcia w jak najkrótszym czasie, tak aby napięcia rażeniowe występowały jak najkrócej. Na rysunku 1 zamieszczono wykres maksymalnych dopuszczalnych ze względu na bezpieczeństwo napięć rażeniowych dotykowych U rdd w funkcji ich maksymalnego dopuszczalnego czasu trwania (trwania zwarcia), w czasie którego urządzenie (element dostępny) znajduje się pod napięciem (norma EN-50179). Jak można zauważyć, przy prądzie zstępującym (ujemny potencjał stóp) zagrożenie jest mniejsze (dopuszczalne są większe wartości napięć dotykowych). Jest to argument za stosowaniem dodatniej biegunowości sieci trakcyjnej, gdyż wtedy w typowej sytuacji awaryjnej (przebicie izolatora) konstrukcja wsporcza ma potencjał wyższy niż szyny (lub ziemia) na której znajdują się stopy osoby zagrożonej porażeniem. Jeżeli obliczenia lub pomiary wykażą możliwość pojawienia się napięć o wartościach wyższych niż podane w [9,10] należy przedsięwziąć środki, aby obniżyć napięcia i występujące w strefie oddziaływania systemu do wartości poniżej dopuszczalnych wartości, co jest warunkiem podstawowym prawidłowej eksploatacji szynowych sieci powrotnych, w zakres której wchodzą: utrzymanie ciągłości elektrycznej szyn i połączeń prądowych, utrzymanie ciągłości elektrycznej obwodów uszynień, utrzymanie właściwości izolacyjnych toru w stosunku do ziemi. Zagadnieniem wymagającym rozwiązania już na etapie tworzenia koncepcji układu komunikacyjnego i projektowania technicznego jego elementów w odniesieniu do szynowych sieci powrotnych są (przykład na rysunku 2): zastosowanie środków wymaganej ochrony przeciwporażeniowej, zapewnienie skutecznego wyłączania zwarć metalicznych, zapewnienie skutecznego wyłączania zwarć doziemnych, 4674

3 zastosowanie środków ograniczających do wymaganego minimum przypływy prądów błądzących w obwodzie szyny-ziemia, zapewnienie nie przekroczenia wymaganych wartości wzdłużnych spadków napięć sieci szynowej, analizy finansowe i ekonomiczne. Rys. 1. Maksymalne dopuszczalne wartości napięć dotykowych U rdd (ręka-nogi) w zależności od czasu ich występowania i biegunowości. Kryteria i parametry graniczne dotyczące sieci powrotnych określone w normie [10] i przytaczane w licznych publikacjach obejmują następujące wielkości charakterystyczne: dopuszczalny wzdłużny spadek napięcia w sieci U R [V/km], rezystancja jednostkowa wzdłużna sieci szynowej r R [ /km], rezystancja jednostkowa przejścia z sieci szynowej do ziemi r R-G [ km] (lub konduktancja g R-G =1/ r R-G [S/km]), napięcie szyny-ziemia (potencjał szyn względem ziemi) U R-G [ V], prąd roboczy I [A], prąd płynący w szynach I R [A], prąd płynący w ziemi (błądzący) I S [A], prąd zwarcia metalicznego I zw [ka], prąd zwarcia doziemnego I zw [ka], czas wyłączania zwarcia t z [ms], napięcia rażeniowe U rdd [V] w stanach roboczych i awaryjnych oraz ogólne wymagania dotyczące bezpieczeństwa i projektowania układów zasilania obejmujące: środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim (dawniej: podstawowej ochrony przeciwporażeniowej), środki ochrony przed dotykiem pośrednim (dawniej: dodatkowej ochrony przeciwporażeniowej), przepisy i wytyczne dotyczące struktury obwodów układu zasilania (rozmieszczenie i typy podstacji, konfiguracja i parametry kabli zasilających i powrotnych, sieci szynowej). Rezystancja przejścia szyny-ziemia zależy od przyjętej konstrukcji toru, wilgotności gruntu, temperatury oraz rezystywności gruntu. Aby nie ograniczyć się jedynie do kontroli wartości konduktancji przejścia, która może się zmieniać w warunkach eksploatacyjnych w normie [10] wprowadzono wymaganie dotyczące wykonania studium szacującego problem prądów błądzących, tak aby można było znaleźć rozwiązanie optymalne. Oczywiście należy mieć na uwadze, że środki ochrony przeciwporażeniowej mają pierwszeństwo przed środkami ochrony przed oddziaływaniem prądów błądzących. Studium to powinno także dotyczyć obliczeń obwodów powrotnych sieci trakcyjnej w celu ich prawidłowego skonfigurowania poprzez wyznaczenie lokalizacji punktów przyłączenia kabli powrotnych (o odpowiednim przekroju) do szyn zapewniające taki rozpływ prądów, przy którym spełnione będą następujące cele cząstkowe (ich wartości graniczne stanowią kryteria oceny obwodu powrotnego): nie przekraczanie dopuszczalnych wartości napięć rażeniowych i potencjałów szyn na rysunku 1, 4675

4 wyznaczone nastawy zabezpieczeń nadmiarowo-prądowych w obwodzie głównym, na poziomie zapewniającym efektywne wyłączanie zwarć, wyznaczone nastawy prądowe lub napięciowe zabezpieczeń ochrony ziemnozwarciowej, równomierność obciążeń kabli powrotnych i nie przekraczanie dopuszczalnych spadków napięć w sieci szynowej. Zwykle w obliczeniach stosowane są metody symulacyjne [4], wykorzystujące rozgałęzione modele sieci powrotnej na rysunku 3, także dla oceny zagrożeń od wyładowań atmosferycznych [25]. podstacja trakcyjna szyna ZN kable powrotne PP - PP do szyny podstacjii trakcyjnej Rys. 2. Schemat układu zasilania z dodatkowym przewodem powrotnym PP (przyłączonym do szyny "-" podstacji - zwykle przez diodę) i podwójną izolacją strefy wysięgnika konstrukcji wsporczej (z jej uszynieniem bezpośrednim) oraz uziemieniem pośrednim (otwartym) szyny minusowej podstacji trakcyjnej za pomocą zwiernika napięciowego (ZN). Rys. 3. Rozgałęziony schemat modelu sieci powrotnej zelektryfikowanego transportu, uwzględniający konduktancję szyny - ziemia 2. UWARUNKOWANIA ZWIĄZANE Z WPROWADZANIEM NOWOCZESNEGO TABORU TRAMWAJOWEGO W ostatnich latach znacząco zwiększyła się w Polsce liczba nowoczesnego taboru wyposażonego w możliwość hamowania odzyskowego, przede wszystkim w trakcji miejskiej. Przy wprowadzeniu do ruchu pojazdów trakcyjnych wyposażonych w układy hamowania rekuperacyjnego zwykle mamy do czynienia z istniejąca infrastrukturą techniczną linii, która nie była przewidziana do zasilania taboru z odzyskiem energii, a po której poruszać się będą pojazdy o różnorodnym wyposażeniu. Powoduje to konieczność szczegółowego przeanalizowania warunków pracy systemu elektroenergetyki trakcyjnej ze względu na specyficzne wymagania tych pojazdów [24]. Należy zatem postawić pytanie: jak wprowadzenie do eksploatacji nowego taboru z napędem przekształtnikowym - zwykle o większej mocy - z możliwością odzysku energii, wpłynie na pracę układu zasilania, projektowanego dla innych założeń dotyczących podstawowych parametrów i wielkości charakterystycznych tego układu. Wprowadzenie do ruchu nowoczesnych tramwajów 4676

5 spowodowało istotne zmiany wpływające na zagadnienia obciążenia sieci zasilającej i bezpieczeństwa: wzrost mocy napędu, ale i mocy potrzeb nietrakcyjnych (nawet o mocy kilkudziesięciu kw), wzrost pobieranych prądów (powyżej 1000 A), co wymusza większy poziom nastaw zabezpieczeń zwiększone obciążenie sieci trakcyjnej i zasilaczy nie tylko przy poborze energii przez tramwaj, ale i przy hamowaniu odzyskowym rysunek 4, wyższe napięcia w sieci i generowanie przepięć, możliwość dosilania zwarcia przy hamowaniu Rys. 4. Przykładowe wyniki symulacji obciążenia zasilacza podstacji tramwajowej- zauważalny prąd tranzytowy hamowania odzyskowego pojazdu znajdującego się na jednej sekcji zasilania do pojazdu pobierającego prąd na drugiej sekcji przez zasilacz (wartości ujemne). W stanach awaryjnych (uszkodzenie izolacji, zerwanie sieci trakcyjnej, awaria w pojeździe itp.) system powinien spełniać wymagania ochrony przeciwporażeniowej (co do wartości występujących napięć i czasów ich odłączenia) [9,11].. Stany normalne i awaryjne układu zasilania powinny być uwzględnione już na etapie projektowania systemu tramwajowego Procedury utrzymania nie powinny zmniejszać poziomu bezpieczeństwa dotyczy to: ciągłości sieci powrotnej np. przy robotach torowych, ograniczenia przepięć i wykrywania zwarć, unikania przypadkowego podania napięcia na odcinek sieci trakcyjnej. Jeśli wartości napięć dopuszczalnych są przekroczone, należy rozpatrywać zastosowanie niżej podanych środków służących ograniczeniu napięcia dotykowego/dostępnego bezpośrednio lub za pomocą zmniejszenia potencjału szyny poprzez: poprawę uziemienia konstrukcji przewodzących, mającej na celu ograniczenie potencjału szyny w stanach awaryjnych, zastosowanie urządzenia ograniczającego napięcie [11], wzmocnienie przewodu powrotnego (np. poprzez dodanie dodatkowego kabla równolegle do sieci powrotnej), zastosowanie izolowania powierzchni do przebywania ludzi, stopniowanie potencjału przez zastosowanie uziomów o odpowiedniej powierzchni, ograniczenie czasu wyłączania potrzebnego do przerwania prądu zwarciowego. 3. METODYKA ANALIZ SYMULACYJNYCH Dla przeprowadzenia obliczeń i analiz dotyczących wpływu nowoczesnego taboru na funkcjonowanie sieci powrotnej zastosowany został opracowany w Zakładzie Trakcji Elektrycznej 4677

6 Instytutu Maszyn Elektrycznych Politechniki Warszawskiej pakiet symulacyjny specjalizowany pod kątem zagadnień energetycznych linii systemu transportowego z możliwością eksploatacji taboru z rekuperacją energii, zastosowany m. in. do wykonania pracy [24]. Pakiet symulacyjny ten umożliwia w danym kroku obliczeń, na określenie - na podstawie zadanego rozkładu jazdy, pociągów określonych typów, wielkości mających wpływ na bilans energetyczny systemu: moce pobierane lub oddawane (rekuperacja) przez pojazdy z podziałem na moc zwracaną do sieci trakcyjnej i wytracaną w rezystorach hamowania, rozpływ prądów w sieci trakcyjnej, obciążenia podstacji, napięcia na odbierakach prądu i szynach PT, straty energii w sieci trakcyjnej i podstacjach. Uzyskane w ten sposób wyniki pozwalają na wyznaczenie wartości średnich i zastępczych wybranych wielkości. Na tej podstawie, dla zadanych wariantów ruchowych, typów taboru i wariantów pracy układu zasilania można ocenić warunki pracy układu zasilania pod kątem wymaganych kryteriów technicznych, warunków dostawy mocy do taboru jak też efektywność wykorzystania potencjalnej energii rekuperacji, która podczas hamowania może zostać przekazana do sieci i pobrana przez inne pojazdy, bądź też wytracona w rezystorach hamowania. W stosowanej metodyce obliczeń wykorzystuje się metodę schematów chwilowych. Dla każdej chwili czasowej (z krokiem co 1 sekunda) tworzony jest zastępczy schemat chwilowy odzwierciedlający aktualne położenie pociągów i ich stan energetyczno-ruchowy (rozruch, jazda pod prądem po okresie rozruchu, wybieg, hamowanie) oraz konfigurację sieci zasilającej. Przeprowadzono szereg symulacji dla różnych typów systemów zasilania (tramwaje, metro, kolej) a przykładowe wyniki obrazujące wpływ stosowania taboru z rekuperacją energii na sieć powrotną przedstawiono poniżej. 3.1 System tramwajowy Na rysunku 5 pokazane są, uzyskane w wyniku symulacji w ciągu 1 h z krokiem symulacji t= 1s. wartości napięć w szynach jezdnych w funkcji kilometrażu trasy z okresu symulacji ruchu tramwajów z hamowaniem odzyskowym (rysunek 5a) i bez stosowania hamowania odzyskowego (rysunek 5b).Wyraźnie daje się zauważyć znaczne zwiększenie rozrzutu wartości potencjałów i to zarówno powyżej jak i poniżej wartości średniej przebiegu. Rys. 5. Zestawienie wartości potencjałów szyn w funkcji kilometrażu trasy a.) z hamowaniem odzyskowym, b.) bez hamowania odzyskowego. 3.2 System tramwajowy przy stosowaniu zasobników W ostatnim okresie wzrosło zainteresowanie, dzięki dostępności technologii zasobników superkondensatorowych, stosowaniem zasobników, tak w podstacjach jak i na pokładzie pojazdów. Poniżej przedstawione zostały przykładowe wyniki wartości potencjałów szyn U szyn w funkcji położenia uzyskane z symulacji funkcjonowania systemu tramwajowego z zasobnikami w podstacji trakcyjnej na rysunku 6.a. w porówaniu z wariantem bez stosowania zasobników na rysunku 6.b. Zauważalny jest wpływ zasobnika na zmniejszenie potencjałów w szynach. 4678

7 75 b.) z zasobnikiem a.) bez zasobnika Uszyn[V] s[km] Rys.6. Potencjały szyn jezdnych w funkcji położenia a.) bez zasobników b,) wariant z zasobnikami 3.3 System metra W systemie metra, gdzie występują duże prądy obciążenia pojazdów o mocach kilku MW przy stosunkowo niskim napięciu zasiania (typowo 750 V DC), problem prawidłowego zaprojektowania sieci powrotnej, przede wszystkim ze względu na bezpieczeństwo pasażerów, ale także ochronę od prądów błądzących jest szczególnie istotny. O ile zastosowanie trzeciej szyny zasilającej z materiałów o obniżonej rezystancji (np. Fe-Al) znacznie zmniejsza spadki napięcia w sieci zasilającej, to w sieci powrotnej, szczególnie przy stosowaniu szyn o mniejszej masie (np. S49 zamiast S60) nowoczesny tabor z hamowaniem odzyskowym może powodować przekroczenia dopuszczalnych spadków napięć, szczególnie w warunkach awaryjnych, na odcinkach krańcowych, gdy występuje zasilanie jednostronne nawet przy ograniczeniu ruchu. Rys. 7. a.)potencjały w szyn jezdnych w funkcji położenia pociągów poruszających się co 90 sekund występują chwilowe przekroczenia wartości 120 V (podstacje w km 8, 12 i 14 km) b.) pociągi poruszających się co 180 sekund ruch awaryjny, chwilowe przekroczenia wartości 120 V (podstacja w km 8 wyłączona-pracuje kabinowo, pracujące podstacje w km 12 i 14 km) Przykładowe wyniki symulacji potencjałów szyn w systemie metra zasilanego napięciem 750 V DC dla różnych wariantów zasilania zestawiono na rysunkach 7 i 8. W warunkach normalnych (rysunek 7a) jak i awaryjnych (rysunek7 b, 8 a) mogą wystąpić zbyt wysokie potencjały szyn. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie dodatkowego kabla powrotnego równolegle do szyn jezdnych (rysunek 8b), oczywiście pod warunkiem jego odpowiednio częstego (np. co m) połączenia z szynami jezdnymi i stosowaniu podobnie częstych połączeń międzytorowych. 4679

8 Rys. 8. Potencjały w szyn jezdnych w funkcji położenia pociągów poruszających się co 180 sekund ruch awaryjny, a.)chwilowe przekroczenia wartości 120 V (pracujące podstacje w km 7, 12 i 14 km) (bez dodatkowego kabla powrotnego), b.) brak przekroczeń- zastosowano dodatkowy kabel powrotny. 3.4 Trakcja kolejowa 3 kv DC W trakcji kolejowej 3 kv DC, przy zwiększeniu częstości kursowania pociągów, w szczególności z możliwością hamowania odzyskowego może powodować wystąpienie potencjałów szyn przekraczających dopuszczalne wartości 120 V (rysunek 9), szczególnie na jednotorowych odcinkach linii. Zapewnienie bezpieczeństwa użytkowania i spełnienie wymagań norm [9,11] zapewni system uszynień grupowych stosowany powszechnie na modernizowanych liniach o zwiększonych obciążeniach ruchowych, zasilanych napięciem 3 kv DC min. 15 min 5 min. Usz[V] s[km] Rys.9. Potencjały szyn na odcinku zelektryfikowanej linii kolejowej 3 kv DC w zależności od częstości ruchu WNIOSKI Mimo wprowadzania do stosowania coraz to nowych rozwiązań nigdy nie jest się w stanie zapewnić w systemach elektroenergetyki transportowej 100% bezpieczeństwa, dlatego mówimy zwykle, nie o dążeniu do zagwarantowania braku zagrożeń a raczej o minimalizacji prawdopodobieństwa wystąpienia zagrożeń w systemach transportu elektrycznego oraz szkód przez nie powodowanych czy zarządzaniu ryzykiem w systemie zelektryfikowanego transportu szynowego. Ocena stanu technicznego sieci powrotnej, w szczególności bezpieczeństwa jej użytkowania i potencjałów w niej występujących, tak w warunkach normalnego jej funkcjonowania jak i w warunkach awaryjnych powinna być prowadzona już na etapie projektowania systemu. Każda modernizacja sieci, czy wprowadzenie do ruchu nowych pojazdów, szczególnie (co jest obecnie 4680

9 standardem) wyposażonych w układy hamowania odzyskowego powinna być poprzedzona wykonaniem studium układu zasilania przy zastosowaniu odpowiednich narzędzi obliczeniowych [24]. Należy to do ważnego etapu stosowania procedur związanych z zarządzeniem bezpieczeństwem funkcjonowania systemów transportu szynowego. Pojawienie się obszarów stykowych różnych systemów trakcji elektrycznej np. przy wprowadzeniu pojazdów dwusystemowych (kolejowotramwajowych) [1], gdzie wystąpi styk systemu 3 kv DC i 600 V DC albo 25 kv 50 Hz i 3 kv DC (przy rozpoczęciu budowy kolei dużych prędkości) stwarzać będzie nowe wyzwania, szczególnie w zakresie funkcjonowania sieci powrotnej [8]. Streszczenie Wprowadzenie na liniach zelektryfikowanego transportu, do eksploatacji taboru z możliwością zwrotu energii hamowania do sieci zasilającej pozwala na uzyskanie znacznego zmniejszenia zużycia energii. Ze względu na zwiększenie napięcia na odbieraku hamującego pojazdu nawet o 10% powyżej napięcia w sieci w porównaniu z taborem bez rekuperacji, powoduje powstanie nowych, wcześniej niespotykanych problemów wymagających rozpatrzenia już na etapie projektowania. Należy do nich m. in. wystąpienie zwiększonych potencjałów szyn jezdnych, co zwiększa zagrożenie od prądów błądzących, ale przede wszystkim wystąpienia napięć rażeniowych przekraczających dopuszczalne wartości. Zmniejszenie takich napięć wymagać będzie poprawy stanu sieci powrotnej np. poprzez stosowanie szyn o zwiększonym przekroju, dodatkowego kabla zmniejszającego spadki napięcia w szynach lub specjalnych systemów ochrony obniżenia napięć w warunkach awaryjnych (uszynienie grupowe, uszynienie indywidualne). Słowa kluczowe: trakcja szynowa, tramwaje, sieć powrotna, potencjał szyn, bezpieczeństwo The influence of the use of a rolling stock with regenerative braking on the return circuit of electrified urban transport Abstract Introduction into operation, on electrified transport lines, of a rolling stock with possible power return to a supply network allows for attaining considerable decrease in energy consumption. On the other hand, voltage increase on a collector of a braking vehicle of up to 10% above the voltage level in a network utilising a rolling stock with no recuperation, gives rise to unprecedented problems requiring attention already at a design stage. These include, among other things, occurrence of increased potentials of running rails, which enhances danger from stray currents, but most of all, occurrence of effective touch voltage exceeding the admissible values. Decreasing such voltage will require improvement of the state of the return circuit, for instance, by means of the rails with increased cross-sections, an additional cable reducing voltage drops in rails or special emergency conditions voltage lowering protection systems (group bonding, individual bonding). Keywords: rail traction, trams, return circuit, rail potential, safety BIBLIOGRAFIA 1. Dąbrowski J.: Jaki w polskich warunkach powinien być tramwaj dwusystemowy? Technika Transportu Szynowego, 1-2/2014, s Drążek Z., Mierzejewski L., Szeląg A.: Zasilanie dwustronne w trakcji miejskiej. Technika Transportu Szynowego nr 2/1996, s Drążek Z., Mierzejewski L., Szeląg A: Obliczenia metodami analitycznymi parametrów sieci zasilającej i powrotnej układów zasilania trakcji tramwajowej (1). Technika Transportu Szynowego 7-8/2001, s Drążek Z., Mierzejewski L., Szeląg A.: Obliczenia metodami analitycznymi parametrów sieci zasilającej i powrotnej układów zasilania trakcji tramwajowej (2). Technika Transportu Szynowego 9/2001, s Maciołek T.,Szeląg A.: - Ekspertyza techniczna-ocena poprawności rozwiązań z zakresu ochrony przeciwporażeniowej zastosowanych w tunelu tramwajowym zlokalizowanym na trasie tramwajowej os. Lecha Franowo w Poznaniu. Warszawa, Mierzejewski L., Szeląg A.: Sieci powrotne zelektryfikowanego szynowego transportu miejskiego. Technika Transportu Szynowego 11/2005, s

10 7. Mierzejewski L., Szeląg A.: Techniczne rozwiązania elektroenergetyki transportu szynowego w aglomeracjach, TTS 7-8, 2007, s Patoka M., Szeląg A.: Kolejowe obszary stykowe systemów 25 kv AC i 3 kv DC - wybrane zagadnienia. Zeszyty Naukowo-Techniczne Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Komunikacji w Krakowie. Seria: Materiały Konferencyjne, Nr 2(104)/2014, s PN-EN :2011 Zastosowania kolejowe - Urządzenia stacjonarne - Bezpieczeństwo elektryczne, uziemianie i sieć powrotna - Część 1: Środki ochrony przed porażeniem elektrycznym 10. PN-EN :2003 (U) Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne. Część 2: Środki ochrony przed oddziaływaniem prądów błądzących wywołanych przez trakcję elektryczną prądu stałego 11. PN-EN :1999 Ograniczniki przepięć. Zalecenia wyboru i stosowania. (ze zmianą A1:2004) 12. PN-EN 50163: 2006 Napięcia zasilania systemów trakcyjnych. (ze zmianą A1:2007 (U)) 13. Rawicki S.: Semi-automatic control of tram vehicle with intent to attain minimum electric energy use. Przegląd Elektrotechniczny, No. 7, 2009, p Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dn. 17/09/1999 w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy urządzeniach i instalacjach elektrycznych (Dz. U. nr 80/1999, poz. 912) 15. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dn. 12/03/2002 w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy w komunikacji miejskiej (Dz. U. nr 37/2002, poz. 341). 16. Szeląg A., Mierzejewski L.: Ground transportation systems.chapter in Encyclopedia of Electrical and Electronic Engineering. Artykuł monograficzny. Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, Supplement I John Wiley & Sons Inc.,NY, USA. s , Steczek M., Szeląg A.: Metoda identyfikacji on-line harmonicznych prądu i wyznaczania impedancji wejściowej pojazdu trakcyjnego. Logistyka 6/ Szeląg A., Gorczyca P.: Energochłonność tramwajów w systemach dynamicznego priorytetowania. Technika Transportu Szynowego 5/2006 str Szeląg A., Patoka M.: Issues of low frequency electromagnetic disturbances measurements in traction vehicles equipped with power electronics drive systems. Przegląd Elektrotechniczny 9/2013, s Szeląg A.: Efektywność hamowania odzyskowego w zelektryfikowanym transporcie szynowym, Pojazdy Szynowe, 4/2009, s Szeląg A., Maciołek T., Drążek Z., Patoka M.: Aspekty efektywności i energooszczędności w procesie modernizacji układów zasilania trakcji tramwajowej, Pojazdy Szynowe, 3/2011, s Szeląg A.: Obliczanie tramwajowej sieci powrotnej w celu zmniejszenia upływu z szyn jezdnych prądów błądzących. Konf. N-T Trakcja elektryczna w komunikacji miejskiej -TRAM'96, Gdańsk 9-11 V 1996, s Szeląg A.: Wymiarowanie granicznych zdolności przesyłu energii w sieci zasilającej i powrotnej trakcji tramwajowej. Konferencja SEMTRAK 96, s , Studium układu zasilania trakcji tramwajowej Tramwajów Warszawskich Sp. z o.o. Etap I i II, (Szeląg A. kier., Z. Drążek, M. Patoka, T. Maciołek, R. Burak-Romanowski, dr M. Lewandowski, A. Pochanke, A. Urban, Z. Załuska), Praca dla Tramwaje Warszawskie Sp. z o.o. Warszawa, 25. Wróbel Z.:The Group and Individual Connection to the Rail System Modelling in a Lightning Discharge Analysis. Analysis and Simulation of Electrical and Computer Systems. Springer International Publishing,