Infrastruktura elektroenergetyczna układów zasilania systemu 3 kv DC linii magistralnych o znaczeniu międzynarodowym (1)

Transkrypt

1 Leszek Mierzejewski, Adam Szeląg Infrastruktura elektroenergetyczna układów zasilania systemu 3 kv DC linii magistralnych o znaczeniu międzynarodowym (1) Polska sieć zelektryfikowanych linii kolejowych (zlk), zakwalifikowanych do grupy linii o znaczeniu międzynarodowym i znaczącym udziale przewozów tranzytowych międzynarodowych oraz przewozów w obrocie import eksport polskiej gospodarki, ma łączną długość ponad pięciu tysięcy kilometrów. Są to linie zelektryfikowane w systemie 3 kv prądu stałego, dwutorowe. Trwające od początku lat dziewięćdziesiątych przekształcenia gospodarcze w Polsce objęły także kolej, a podjęte działania dostosowawcze do wymogów i zamierzeń Unii Europejskiej wpłynęły na zakres i technikę modernizacji, eksploatacji i utrzymania kolei. W okresie tym wykonano wiele opracowań analitycznych dotyczących między innymi zasilania elektroenergetycznego kolei zainicjowanych przez Komisję Transportu UE w ramach programu PHARE oraz przez PKP. W wyniku podjętych analiz powstały koncepcje modernizacji linii magistralnych o znaczeniu międzynarodowym obejmujące swym zakresem zasilanie elektroenergetyczne. Głównym celem opracowań koncepcyjnych i projektowych oraz podjętych modernizacji układów zasilania było poprawienie szeroko rozumianej efektywności zasilania elektroenergetycznego spełniających wymagania obecnej i przyszłej oferty przewozowej, z uwzględnieniem wzajemnych oddziaływań podsystemów wewnętrznych, stanowiących system zelektryfikowanej linii kolejowej. Schemat blokowy systemu zamieszczono na rysunku 1. W obecnych warunkach nadrzędnym celem jest opracowanie scenariusza działań strategicznych dla wdrażania rozwiązań obejmujących najnowsze techniki i technologie w podsystemu energia infrastruktury kolejowej, spełniające wymagania specyfikacji interoperacyjności, norm i innych związanych aktów prawnych. Jako cele cząstkowe przyjętej strategii działań należy wymienić: interoperacyjność, niezawodność, minimalizację kosztów i nakładów, poprawę bezpieczeństwa, wykorzystanie systemów typu SCADA do operacyjnego sterowania, zarządzania i pomiarów wielkości elektrycznych w energetyce, ograniczenie szkodliwego oddziaływania na infrastrukturę i otoczenie linii zelektryfikowanych. Docelowo linie kolejowe wszystkich krajów UE, niezależnie od przyjętego systemu elektryfikacji, mają być do- stępne dla każdego operatora (przewoźnika) dysponującego odpowiednim taborem. Udostępnienie linii wymaga ujednolicenia i dostosowania parametrów poszczególnych systemów zasilania do jednolitych standardów skoordynowanych z wymaganiami obowiązującymi dla lokomotyw eksploatowanych w danym systemie. Zagadnieniom tym poświęcone są wydane w kolejnych latach akty prawne UE: 1996 r. Dyrektywa 96/48 w sprawie interoperacyjności transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości; 2001 r. Dyrektywa 2001/16 w sprawie interoperacyjności transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnej; 2002 r. Decyzje /2002 dotyczące technicznych specyfikacji interoperacyjności dla kolei dużych prędkości (decyzja 733/2002 dotyczy podsystemu Energia). W Dyrektywie 2001/16 zawarte są wymagania ogólne dotyczące: bezpieczeństwa, niezawodności i dostępności, ochrony zdrowia i środowiska, zgodności (kompatybilności) technicznej. Wymagania dla podsystemu Energia Podsystem Energia obejmuje: system elektryfikacji, sieć trakcyjną i odbieraki prądu, i dla tego podsystemu precyzuje się wymagania specyficzne: bezpieczeństwo: eksploatacja systemów zasilania elektroenergetycznego nie może wpływać negatywnie na bezpieczeństwo ani pociągów, ani osób (użytkownicy i pasażerowie, personel, mieszkańcy w okolicy i osoby trzecie); ochrona środowiska: funkcjonowanie systemu trakcji spalinowej czy elektrycznej nie może wpływać negatywnie na środowisko naturalne bardziej niż to jest dopuszczalne; zgodność techniczna: eksploatowane systemy dostawy energii (elektrycznej bądź paliww pojazdach spalinowych) muszą: Rys. 1. Schemat systemu zelektryfikowanej linii kolejowej z wydzielonymi podsystemami 1-2/

2 umożliwić pociągom osiągać określone parametry ruchowe, być zgodne z dopuszczonymi do eksploatacji odbierakami prądu zainstalowanymi w pociągach (w przypadku trakcji sieciowej). Wobec braku jeszcze specyfikacji TSI, dla kolei konwencjonalnych można wykorzystywać kryteria podane w TSI dla kolei dużych prędkości (Decyzja KE 2002/733/EC). Główne wymagania specyfikacji TSI dla podsystemu energia kolei dużych prędkości W specyfikacji TSI określa się typ linii na podstawie następujących parametrów (tabl. 1): maksymalna prędkość dla linii [km/h] zaakceptowana prędkość dla danego odcinka; moc jednostki mierzona na pantografie maksymalna moc ciągła [MW] wymagana przez pociąg dla celów trakcyjnych i obwodów pomocniczych; minimalny możliwy odstęp [min] przedział czasowy między pociągami, dozwolony poprzez system sygnalizacji linii. Typy linii Tablica 1 Zakres prędkości Minimalny możliwy odstęp Moc jednostki na pantografie Typ linii [km/h] [min] [MW] V i więcej I a I b I c 250 V II a II b II c II d II e II f II g 200 V III a III b III c III d 160 V IV a IV b IV c IV d IV e IV f IV g IV h IV i * V a 3 * V b 4 * V c 5 * V d <120 2 * VI a 3 * VI b 4 * VI c 5 * VI d * Dla linii, gdzie prędkości maksymalne są mniejsze niż 160 km/h, typ linii definiuje się na podstawie ograniczenia prędkości na trasie oraz minimalnego odstępu dla pociągów kursujących na trasie (typy linii dla warunków polskich zostały oznaczone kursywą). Dotyczy to: nowych linii o prędkościach maksymalnych od 250 km/h i większych, linii zmodernizowanych o prędkościach maksymalnych do 200 km/h, linii łączących linie dużych prędkości i zmodernizowane. Wyposażenie sieci trakcyjnej, wzajemne oddziaływania między siecią trakcyjną i pantografem systemy DC 1. Wymagania dla sieci trakcyjnej W tablicy 2 zestawiono wymagania dla napowietrznej sieci trakcyjnej w systemie prądu stałego. Wymagania dla sieci trakcyjnej Tablica 2 Lp. Opis Linie łączące Linie modernizowane 1. Wysokość przewodu jezdnego 1.1. Standardowa wysokość przewodu jezdnego [mm] Dopuszczalna tolerancja [mm] Wartości dopuszczalne [mm] Dopuszczalne wartości zmiany pochylenia przewodu jezdnego Norma EN związane z charakterystyką trasy 3. Dopuszczalne odchylenie poprzeczne spowodowane wiatrem bocznym Pantografy W tablicy 3 zestawiono wymagania dotyczące pantografu odpowiedniego dla transeuropejskich kolei dużych prędkości. Opis geometryczny ślizgacza Lp. Opis Dotyczy linii Tablica 3 wszystkich kategorii 1. Szerokość ślizgacza 1.1. Zunifikowana szerokość ślizgacza [mm] Szerokość ślizgacza w okresie przejściowym [mm] 1450 i Zasięg roboczy ślizgacza [mm] Długość nakładek stykowych [mm] Profil ślizgacza 4.1. Normowany profil ślizgacza rysunek Profil ślizgacza w okresie przejścia Norma EN Elektryczne połączenie pantografu Jeżeli takie połączenie istnieje, należy stosować połączenia rozłączalne 6. Urządzenie do wykrywania uszkodzeń ślizgacza Konieczne (diagnostyka) Rys. 2. Profil ślizgacza odbieraka 1 - rożek z materiału izolującego, 2 - minimalna długość pasa styku, 3 - odcinek niewspółpracujący, 4 zakres roboczy, 5 - szerokość ślizgacza /2004

3 Bezpieczeństwo i wyłączalność zwarć System zasilania elektroenergetycznego powinien uwzględniać stosowany system uziemień (uszynień) zgodnie z wymaganiami normy EN (1997). Ochrona od porażeń w warunkach pracy normalnej i awaryjnej ma być zapewniona poprzez ograniczenie napięć dotykowych zgodnie z normą EN (1997). Dla każdej instalacji należy przeprowadzić studium oceny ochrony od porażeń, studium to może uwzględniać testy. Należy zainstalować urządzenia i opracować procedury w celu wyłączenia (odizolowania) taboru i sieci trakcyjnej spod napięcia poprzez zaalarmowanie dyspozytora w przypadku wystąpienia sytuacji niebezpiecznych. Bezpieczeństwo eksploatacji sieci trakcyjnej powinno być osiągnięte poprzez zaprojektowanie sieci trakcyjnej zgodnie z normą EN (2001), p i EN (1997). Wszystkie elementy znajdujące się pod napięciem (czynne) powinny być zainstalowane poza zasięgiem dostępu użytkowników i osób postronnych. Zgodnie wymaganiami, każda lokomotywa pociągu (zespół trakcyjny) i podstacja trakcyjna powinny być wyposażone w wyłączniki, które zadziałają w momencie pojawienia się prądu zwarcia. Systemy zabezpieczeń w pociągu i podstacji powinny być skoordynowane. W tablicy 4 zestawiono maksymalne dopuszczalne prądy zwarcia w zależności od napięcia systemu. Maksymalne dopuszczalne prądy zwarcia Tablica 4 Rys. 3. Maksymalny prąd w funkcji napięcia A strefa bez poboru prądu trakcyjnego, B strefa powyżej dopuszczalnej wartości prądu, C strefa dopuszczalnych wartości prądu, a- współczynnik (tabl. 7) Tablica 5 Dopuszczalne poziomy napięć w systemach trakcji elektrycznej Typ systemu Najniższe Najniższe Napięcie Najwyższe Najwyższe dopuszczalne dopuszczalne znamionowe dopuszczalne dopuszczalne napięcie napięcie systemu napięcie napięcie krótkotrwałe długotrwałe długotrwałe krótkotrwałe U min2 [V] U min1 [V] Un [V] U max1 [V] U max2 [V] 400 1) ) System prądu stałego 400 1) ) (wartości średnie) ) ) ) ) 1) Czas trwania napięć o wartościach z zakresu (U min2 U min1 ) nie może być dłuższy niż 2 min 2) Czas trwania napięć o wartościach z zakresu (U max1 U max2 ) nie może być dłuższy niż 5 min Dopuszczalne poziomy prądów dla pociągów Tabela 6 System zasilania Maksymalny dopuszczalny poziom prądu zwarcia [ka] System zasilania Linia dużych prędkości Linia modernizowana Linia łącząca 3000 V DC V DC V DC V DC V DC V DC Poziom napięcia W tablicy 5 zestawiono parametry dopuszczalnych poziomów napięcia w systemach trakcji elektrycznej oraz czasów ich trwania. Poziom napięcia na szynach zbiorczych podstacji trakcyjnej z otwartymi wszystkimi wyłącznikami liniowymi może być niższy lub równy U max1. Podczas normalnej pracy poziom napięcia musi zawierać się w zakresie (U min1 U max2 ). W innych niż typowe warunkach dopuszczalny jest poziom napięcia z przedziału (U min1 U min2 ). W nietypowych warunkach pracy systemu, napięcie U min2 stanowi dolne ograniczenie poziomu napięcia dla sieci trakcyjnej w warunkach ruchu pociągów. Nastawy zabezpieczeń dla urządzeń podnapięciowych, znajdujących się w podstacji lub w pociągu, powinny wynosić 0,85 0,95 poziomu napięcia U min2. Dopuszczalny pobór mocy W tablicy 6 zestawiono maksymalne poziomy prądów dla pociągów w systemach prądu stałego. Wskaźniki jakości W aneksach do specyfikacji TSI zdefiniowano wymagane parametry wskaźniki jakości funkcjonowania urządzeń podsystemu energia, które powinny spełniać wiele kryteriów w warunkach: Wartości współczynnika a System zasilający szczytowego ruchu, różnych typów uwzględnionych pociągów. Dotyczy to linii: dużych prędkości projektowanych dla V 250 km/h, modernizowanych dla prędkości ok. 200 km/h. Wskaźnik jakości systemu napięcie U średnie użyteczne jest obliczany drogą symulacji dla ruchu pociągów według zadanego rozkładu jazdy i może być zweryfikowany na bieżąco pomiarami w warunkach eksploatacyjnych. W celu zagwarantowania efektywności zasilania dla wszystkich pociągów, należy tak zaprojektować wyposażenie, aby napięcie użyteczne na pantografie każdego pociągu znajdującego się w strefie zasilania było odpowiednio wysokie. Projekt instalacji podsystemu energia powinien powstać na podstawie wyników uzyskanych z symulacji krytycznego rozkładu jazdy, z uwzględnieniem mocy pobieranej przez pociąg w każdym przedziale czasowym. Dotyczy to m.in. dopasowania wyposażenia takiego, jak: transformatory, linie napowietrzne po stronie AC i prostowniki oraz sieć trakcyjna, aby uzyskać wymagane parame- Tabela V 50 Hz V 16,7 Hz 3000 V DC 1500 V DC 750 V DC 0,9 0,95 0,9 0,9 0,8 1-2/

4 try jakościowe, w szczególności napięciowe, gdyż charakterystyka trakcyjna siły i prędkości zmienia się w funkcji napięcia na pantografie. Wyznaczenie obwiednich charakterystyk trakcyjnych siły i prądu w funkcji prędkości dla obniżonego napięcia jest określane w relacji do charakterystyk znamionowych, poprzez ich ekstrapolację ze współczynnikiem proporcjonalności zależnym od typu taboru i stosunku napięcia na pantografie do napięcia znamionowego (U p / U n ). Należy także ocenić możliwość pojawienie się sytuacji wpływających na osiągane parametry zarówno z punktu widzenia układu zasilania, jak i ruchu. Wybór właściwej wartości napięcia średniego użytecznego daje następujące korzyści: umożliwia pracę jednostkom trakcyjnym w punktach znajdujących się w otoczeniu charakterystyki dla napięcia znamionowego, co jest optymalne ze względu na sprawność i parametry trakcyjno-ruchowe, zapewnia, że wartości napięć minimalnych określonych normami są przestrzegane, pozwala na poprawną pracę instalacji stałych i daje możliwości zwiększenia ruchu oraz stanowi pewną rezerwę w warunkach zakłóceń. 1. Definicja średniego napięcia użytecznego Średnie napięcie użyteczne jest wyznaczane metodą komputerowej symulacji odcinka zasilania, gdzie do analizy bierze się wszystkie pociągi poruszające się w danej strefie w okresie ruchu szczytowego (stanowiącego największe obciążenie energetyczne). Analiza powinna być przeprowadzana z uwzględnieniem charakterystyk elektrycznych systemu i różnych typów pociągów. Napięcie na pantografie każdego pociągu w danej strefie powinno być analizowane w każdym kroku symulacji; dla systemów AC stosuje się wartość skuteczną napięcia, dla systemów DC wartość średnią. Krok symulacji powinien mieć dostatecznie małą wartość, aby uwzględnić wszystkie zdarzenia zachodzące w rozkładzie jazdy. W symulacji wyznaczane są dwie charakterystyczne wielkości napięcia: 1) U średnie użyteczne odcinka zasilania to średnia wartość wszystkich napięć analizowanych w tej symulacji; wartość ta determinuje moc i możliwość poboru energii z systemu zasilania dla całego odcinka. U śrs = U ro U srs (1) Do analizy w każdym kroku symulacji brane są wszystkie pociągi znajdujące się w strefie, w rozważanym okresie szczytu ruchowego, niezależnie od tego, czy pobierają moc na cele trakcyjne, czy nie (jazda z wybiegu, postój, rekuperacja). 2) U średnie użyteczne na pantografie pociągu U śrp =U ro U srp (2) gdzie: U ro napięcie źródłowe podstacji, U śrp średni spadek napięcia do pantografu wybranego pociągu, U śrs średni spadek napięcia w sieci. U średnie użyteczne pociągu to średnia wartość wszystkich napięć, liczona w tej samej symulacji, jednakże analizowane są napięcia dotyczące tylko jednego pociągu w każdym kroku symulacji. Do analizy brane są tylko okresy poboru energii na cele trakcyjne. Na podstawie wartości tego napięcia możemy określić osiągi każdego symulowanego pociągu i zidentyfikować pociąg, którego parametry trakcyjne takie, jak możliwość przyspieszenia są silnie powiązane z poziomem napięcia na pantografie. 2. Zalecane wartości napięcia średniego użytecznego W tablicy 8 zestawiono minimalne wartości napięcia średniego użytecznego na pantografie. Minimalne wartości napięć średnich użytecznych Tablica 8 Typ systemu V DC 3000 V DC V AC V AC Strefa [V] Pociąg [V] Projekt układu zasilania powinien być tak opracowany, aby w czasie symulacji, umożliwiających obliczenie napięcia U średnie użyteczne, nie pojawiło się chwilowe napięcie niższe od U min1 (tabl. 5) dla rozkładu jazdy odpowiadającego danemu typowi linii. Średnie napięcie użyteczne na pantografie jest liczone według zależności: n 1 T j Σ U p I pj dt j=1 T j 0 U śr.u = (3) n 1 T j I pj dt j=1 T j 0 gdzie: T j przedział całkowania albo okres analizy dla pociągu o numerze j, n liczba pociągów. Dla systemów prądu zmiennego: U pj chwilowe napięcie o wartości skutecznej o częstotliwości zasilania na pantografie pociągu o numerze j, I pj moduł wartości skutecznej prądu o częstotliwości zasilania przepływającego przez pantograf pociągu o numerze j. Dla systemów prądu stałego: U pj chwilowe napięcie średnie na pantografie pociągu o numerze j, I pj moduł wartości średniej prądu z przedziałów analizy przepływającego przez pantograf pociągu o numerze j. 3. Pomiary napięcia na linii Wymagane jest okresowe przeprowadzanie pomiarów napięć w celu weryfikacji założeń i rzeczywistych warunków funkcjonowania linii (tabl. 9) /2004

5 Pomiary weryfikacyjne napięcia Tablica 9 Gdzie Kiedy Jak Warunki dopuszczalności Szyny zbiorcze podstacji, Na zlecenie Rejestrator napięcia dla pierwotnej częstotliwości Wszystkie wartości mniejsze lub równe U max1 obwód linii Rejestratory danych cyfrowych z zakresem częstotliwości Otwarte wyłączniki, 2 khz (uśrednione co 1 s) normalne warunki pracy Okres pomiaru 1 min Pomiary na wejściu i wyjściu Na zlecenie Stan jałowy podstacji Stan jałowy podstacji urządzenia w stanie jałowym i podczas pracy Pomiary na bieżąco w warunkach pracy Pomiary na bieżąco w warunkach pracy i w stanie normalnej pracy W miejscu, Znalezienie Urządzenia rejestrujące napięcie dla częstotliwości Wartości napięcia większe bądź równe U min2 gdzie zlokalizowano problemy rozwiązania podstawowej Okresy trwania napięć o wartościach poniżej U min1 problemów Rejestratory cyfrowe z zakresem częstotliwości Mniejsze lub równe okresom wymienionym w p. N.2 2 khz uśrednione co jedną 1 s wymaganie 1 Okres pomiaru 1 min Średnia wartość napięcia jest w zakresie U min1 U max2 Druga część artykułu w 3/2004 Autorzy dr inż. Leszek Mierzejewski dr hab. inż. Adam Szeląg Zakład Trakcji Elektrycznej, Politechnika Warszawska 1-2/