Zastosowanie warystorowych ograniczników przepięć do ochrony sieci trakcyjnej 3kV DC

Transkrypt

1 BIAŁOŃ Andrzej 1 FURMAN Juliusz 2 ORTEL Krzysztof 3 ZAWADKA Łukasz 4 Zastosowanie warystorowych ograniczników przepięć do ochrony sieci trakcyjnej 3kV DC WSTĘP Obecnie na liniach zarządzanych przez PKP PLK S.A. podstawowym urządzeniem, które chroni sieć trakcyjną przed przepięciami jest odgromnik rożkowy, instalowany na konstrukcjach wsporczych sieci trakcyjnej w odstępach wynoszących około 1200m lub w obszarach zwiększonej aktywności burzowej - około 600m. Ze względu na wysoki próg zadziałania odgromnika rożkowego, który w warunkach eksploatacyjnych mieści się w granicach 20-30kV wyraźnie uwidoczniła się potrzeba ograniczania przepięć na znacznie niższym poziomie niż dotychczas. Wiąże się to z koniecznością zapewnienia obniżonego poziomu przepięć w celu ochrony rozbudowanych urządzeń elektronicznych, które coraz częściej instalowane są na liniach kolejowych. Dlatego też niezbędne staje się zainstalowanie nowoczesnego systemu ochrony opartego na elementach półprzewodnikowych. W związku z tym w Instytucie Kolejnictwa zostały zrealizowane prace badawcze nad nowym systemem ochrony sieci trakcyjnej z zastosowaniem warystorowych ograniczników przepięć. Przygotowanie do wdrożenia nowego systemu a w następnej kolejności przeprowadzenie badań eksploatacyjnych, wymagało zrealizowania pracochłonnych pomiarów w warunkach terenowych oraz laboratoryjnych. 1 METODYKA BADAŃ Badania zostały wykonane w dwóch etapach: określenie tłumienności amplitudy przepięć w funkcji drogi oraz wstępne wyznaczenie optymalnej odległości rozmieszczania warystorowych ograniczników przepięć na sieci trakcyjnej, weryfikacja wyników uzyskanych w 1 etapie oraz dobór parametrów warystorowego ogranicznika przepięć. Badania tłumienności przepięć w sieci trakcyjnej przeprowadzono na okręgu doświadczalnym Instytutu Kolejnictwa w Żmigrodzie dla trzech wybranych konfiguracji pomiarowych: odcinek sieci bez obciążenia (sieć otwarta), odcinek sieci obciążony rezystancją o wartości zbliżonej do wartości impedancji falowej badanego odcinka sieci trakcyjnej, odcinek sieci obciążony warystorem niskonapięciowym. Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat sieci trakcyjnej na okręgu doświadczalnym Instytutu Kolejnictwa. 1 Instytut Kolejnictwa, Zakład Sterowania Ruchem i Teleinformatyki, Warszawa, ul. Chłopickiego 50, Tel , Fax , abialon@ikolej.pl 2 Instytut Kolejnictwa, Zakład Sterowania Ruchem i Teleinformatyki, Warszawa, ul. Chłopickiego 50, Tel , Fax , jfurman@ikolej.pl 3 Instytut Kolejnictwa, Zakład Sterowania Ruchem i Teleinformatyki, Warszawa, ul. Chłopickiego 50, Tel , Fax , kortel@ikolej.pl 4 Instytut Kolejnictwa, Zakład Sterowania Ruchem i Teleinformatyki, Warszawa, ul. Chłopickiego 50, Tel , Fax , lzawadka@ikolej.pl 1893

2 Rys. 1 Schemat sieci trakcyjnej okręgu doświadczalnego IK w Żmigrodzie Metodyka pomiarów polegała na wprowadzaniu impulsów udarowych z generatora udarów do sieci trakcyjnej i rejestracji amplitud impulsów napięcia oraz prądu w funkcji odległości od generatora. Maksymalny poziom napięcia impulsu udarowego użytego generatora wynosił 6,9kV (1,2/50 s). Rejestrację wspomnianych impulsów udarowych wykonano co kilometr począwszy od usytuowania generatora do końca odcinka sieci. Ponadto, w celu określenia opóźnienia fali prądowej względem fali napięcia udarowego dla całego odcinka pomiarowego, dokonano rejestracji przebiegu amplitudy napięcia na początku odcinka pomiarowego oraz prądu udarowego na końcu badanego odcinka sieci trakcyjnej obciążonego rezystancją o wartości zbliżonej do wartości impedancji falowej sieci trakcyjnej. W celu określenia optymalnej odległości pomiędzy warystorami instalowanymi na sieci trakcyjnej postanowiono opracować rzeczywisty model laboratoryjny sieci trakcyjnej o długości odpowiadającej odcinkowi sieci w Żmigrodzie, który został zbudowany przy zastosowaniu elementów R L C o stałych skupionych Zaproponowany model spełniał wymagania pod względem propagacji przepięć analogiczne jak w rzeczywistej sieci trakcyjnej Na modelu tym przeprowadzono analogiczne badania jak podczas badań tłumienności przepięć na sieci trakcyjnej okręgu doświadczalnego. Następnie, aby dokładnie zbadać obszar wzajemnego oddziaływania na siebie warystorowych ograniczników przepięć przeprowadzono pomiary dla różnych konfiguracji, w których zmieniano odległość pomiędzy warystorami a także miejsce doprowadzeń impulsów udarowych. Przyjęto dwa przypadki wprowadzania udaru w stosunku do usytuowania warystorów w opracowanym modelu: udar w środku pomiędzy warystorami, przy zmiennej odległości rozstawienia warystorów to znaczy 2, 4 i 6 km, udar podany na wejście modelu, gdzie jeden z warystorów zainstalowany był na końcu modelu linii przy odległości pomiędzy warystorami 4 km. Weryfikacja wyników uzyskanych po zrealizowaniu etapu 1 badań laboratoryjnych, polegała na przeprowadzeniu badań na rzeczywistej sieci trakcyjnej ponownie w Żmigrodzie ale już z zastosowaniem warystorów wysokonapięciowych i generatora o amplitudzie impulsu udarowego wynoszącej około 15kV. Podobnie jak w badaniach laboratoryjnych, w celu określenia optymalnej odległości rozmieszczania warystorowych ograniczników przepięć względem siebie, przyjęto dwa przypadki doprowadzania udaru w stosunku do usytuowania warystorów na sieci trakcyjnej: 1894

3 udar w sieć trakcyjną w środku pomiędzy warystorami, przy zmiennej odległości rozstawienia warystorów wynoszącej 4, i 5 km, udar w sieć trakcyjną na początku badanego odcinka sieci trakcyjnej (tuż za odłącznikiem sekcyjnym 203) przy odległości pomiędzy warystorami wynoszącej 4, 5 i 5,6 km. km 3,7 i 3,2 km 5,7 km 7,7 i 0,5 Sieć trakcyjna G Tor kolejowy Rys. 2 Schemat układu pomiarowego przy wprowadzaniu impulsów udarowych do sieci trakcyjnej dla przypadku pierwszego (udar w środek pomiędzy warystorami) Dla pierwszego przyjętego wariantu doprowadzenia udaru zgodnie z układem pomiarowym przedstawionym na rysunku 2 generator dołączono do sieci trakcyjnej w km 5,7. Generator udarów został zainstalowany na platformie drezyny motorowej, która w trakcie wykonywania pomiarów nie zmieniała swojej lokalizacji. Przez wzgląd na zakłócające oddziaływanie generatora udarowego na obwody wejściowe oscyloskopu, stanowisko rejestrujące przebiegi amplitud impulsów udarowych doprowadzanych do sieci trakcyjnej oddalono o odległość jednej konstrukcji wsporczej zawieszenia sieci trakcyjnej. Na stanowisku tym za pomocą bezindukcyjnego dzielnika wysokonapięciowego 30 kv i oscyloskopu rejestrowano impulsy napięcia. W miejscach zainstalowania warystorowych ograniczników przepięć (km 7,7 i 3,7 oraz 0,5 i 3,2) rejestrowano synchronicznie poziom ograniczanej amplitudy napięcia i prąd impulsu udarowego płynący przez ogranicznik za pomocą bezindukcyjnego dzielnika wysokonapięciowego 30 kv i cewki Rogowskiego o przekładni napięciowo-prądowej 1 V/2500 A. W drugim przypadku impulsy udarowe wprowadzano do sieci trakcyjnej na początku badanego odcinka w miejscu oznaczonym jako km 1,7 (patrz rysunek 3). Warystorowe ograniczniki przepięć rozstawiono zgodnie z układem pomiarowym zamieszczonym na rysunku 3. Podobnie jak dla pierwszego przypadku ze stanowiska oddalonego o odległość jednej konstrukcji zawieszenia sieci trakcyjnej od miejsca przyłączenia generatora udarów, rejestrowano impulsy napięcia. Natomiast w miejscach zainstalowania warystorowych ograniczników przepięć (km 7,7 i 3,7; 1,0 i 3,7 oraz 1,68 i 3,7) na stanowiskach ruchomych rejestrowano poziom ograniczonej amplitudę napięcia i prąd impulsu udarowego płynący przez ogranicznik. 1895

4 km 1,7 Sieć trakcyjna km 3,7 km 7,7; 1,0; 1,68 G Tor kolejowy Rys. 3 Schemat układu pomiarowego przy wprowadzaniu impulsów udarowych do sieci trakcyjnej dla przypadku drugiego (udar na początku odcinka sieci trakcyjnej) Celem uzyskania dodatkowych informacji o rozkładzie amplitud impulsu udarowego wzdłuż drogi w obu przypadkach postanowiono także rejestrować poziom amplitudy napięcia, co 500 m pomiędzy generatorem a warystorowymi ogranicznikami przepięć. Układ do rejestracji napięcia i prądu impulsów udarowych przedstawiono na rysunku 4. Sieć trakcyjna Warystor Dzielnik Oscyloskop PC CR Rys. 4 Schemat układu do rejestracji napięcia i prądu impulsów udarowych 2 WYNIKI BADAŃ Tor kolejowy Rozmieszczenie elementów ochrony przeciwprzepięciowej instalowanej na sieci trakcyjnej wymaga poznania rozkładów amplitud impulsów udarowych w funkcji drogi oraz wpływu niejednorodności odcinka badanej sieci takich, jak np. kotwienia sieci trakcyjnej, rozjazdy sieciowe i wiadukty na rozkład amplitud tych impulsów. Na podstawie zarejestrowanych amplitud impulsów napięcia udarowego i analiz przeprowadzonych w etapie 1 opracowano zbiorcze charakterystyki rozkładu amplitud impulsów udarowych (rysunek 5). Kolorem czerwonym oznaczono charakterystykę dla badanego odcinka sieci trakcyjnej bez obciążenia, kolorem niebieskim dla odcinka obciążonego rezystancją, natomiast kolorem zielonym przy obciążeniu warystorem niskonapięciowym. 1896

5 Napięcie [kv] 14 sieć trakcyjna bez obciązenia sieć trakcyjna obciążona warystorem sieć trakcyjna obciążona rezystorem ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 Odległość [km] Rys. 5 Rozkład amplitud impulsów udarowych w funkcji drogi dla badanego odcinka sieci trakcyjnej Z załączonych charakterystyk przebiegu amplitud impulsów udarowych w funkcji drogi wynika, że badany odcinek sieci trakcyjnej zachowuje się jak typowa linia długa dla propagowanych sygnałów, gdzie napięciowe impulsy udarowe są tłumione w niewielkim stopniu. Z kolei analizując charakterystykę koloru zielonego dla sieci trakcyjnej obciążonej warystorem można zauważyć, że występują w niej dwa obszary. Pierwszy to obszar pomiędzy generatorem a 6km, w którym amplituda impulsu udarowego utrzymuje się na poziomie napięcia wyjściowego generatora. W drugim obszarze, pomiędzy 6-7,7km zauważalny jest wpływ oddziaływania warystora na poziom amplitudy napięcia impulsu udarowego. Na podstawie tej charakterystyki można stwierdzić, że strefa aktywnego oddziaływania warystora jest nie mniejsza niż 2km. Biorąc pod uwagę wyniki badań laboratoryjnych oraz wyniki badań przeprowadzonych w warunkach rzeczywistych opracowano charakterystyki tłumienia impulsów udarowych dla przypadków opisanych w punkcie 1. Z uwagi na duże podobieństwo w przebiegu charakterystyk otrzymanych w badaniach laboratoryjnych w niniejszej publikacji postanowiono przedstawić wyłącznie charakterystyki z badań wykonanych na rzeczywistej sieci trakcyjnej w Żmigrodzie. 1897

6 Napięcie [V] Napięcie[V] km 5km Odległość [km] Rys. 6 Charakterystyki tłumienia impulsów udarowych w sieci trakcyjnej przy rozstawieniu warystorów 4 i 5km dla pierwszego przypadku występowania udaru Odległość [km] Rys. 7 Charakterystyka tłumienia impulsów udarowych w sieci trakcyjnej przy rozstawieniu warystorów 4km dla drugiego przypadku występowania udaru Wyniki z pomiarów propagacji impulsów udarowych przedstawione na rysunkach 6 i 7 pokazują, że przy rozstawieniu warystorowych ograniczników przepięć w odległości 4 lub 5km miedzy sobą, 1898

7 tłumienie amplitudy impulsu udarowego od miejsca udaru do miejsca przyłączenia warystorów ma przebieg liniowy. Nieznaczne odkształcenia w przebiegu charakterystyki widoczne na rysunku 6 spowodowane są niejednorodnościami sieci trakcyjnej, jako linii długiej (np. obecność wiaduktów). Przy takim rozstawieniu warystorów obserwuje się szybki wzrost tłumienia amplitudy przepięć w funkcji odległości. PODSUMOWANIE Na podstawie przedstawionych analiz można stwierdzić, że optymalna odległość rozstawienia warystorowych ograniczników przepięć względem siebie na sieci trakcyjnej w badaniach eksploatacyjnych powinna wynosić około 4 km. Po uzyskaniu wstępnych doświadczeń z badań eksploatacyjnych można próbować zwiększyć tą odległość do 6km. Docelowym rozwiązaniem ochrony sieci trakcyjnej przed przepięciami komutacyjnymi i od udarów piorunowych powinien być układ ochrony z warystorowymi ogranicznikami przepięć. Układ ten zapewni bardziej skuteczny i stabilny amplitudowo poziom ochrony sieci trakcyjnej oraz poprawi efektywność działania systemu zasilania. Zalety ochrony przeciwprzepięciowej sieci trakcyjnej przy zastosowaniu warystorowych ograniczników przepięć zostały potwierdzone już w toku realizowanych badań na torze doświadczalnym w Żmigrodzie i w badaniach laboratoryjnych na modelu sieci trakcyjnej. Badanie te uwidoczniły również potrzebę zastosowania w warystorowych ogranicznikach przepięć chroniących sieć trakcyjną, elementu zabezpieczającego przed trwałym zwarciem sieci trakcyjnej do obwodu powrotnego, który jednocześnie umożliwi łatwą identyfikację uszkodzenia warystora. Przyjęty model laboratoryjny w pełni odzwierciedla warunki rzeczywiste i pozwala na znaczące ograniczenie kosztów badań, a także znacznie skraca czas ich przeprowadzenia. Streszczenie Artykuł opisuje problematykę ochrony sieci trakcyjnej przed przepięciami. Chodzi o przepięcia wywoływane między innymi przez wyładowania atmosferyczne. Pokazano metodykę badań propagacji przepięć w sieci trakcyjnej. Opisano model laboratoryjny do symulacji propagacji przepięć i ich tłumienia przy użyciu ograniczników warystorowych. Przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych i terenowych propagacji przepięć w sieci trakcyjnej. Zaprezentowane wyniki badań terenowych propagacji przepięć z wykorzystaniem ograniczników warystorowych w pełni potwierdziły przyjęty model laboratoryjny. Wyniki badań potwierdzają skuteczność ochrony sieci trakcyjnej przed przepięciami wykorzystującej ograniczniki warystorowi. The use of varistor overvoltage limiters to protect 3kV DC overhead contact line Abstract The article describes the problem of the overhead contact line protection against surges. It's about surges caused, inter alia, by atmospheric discharges. Shown research methodology of propagation surges in overhead contact line. Describes the laboratory model to simulate of propagation surge and surge damping with varistor overvoltage limiters. Presents laboratory test results and field test results of propagation surges in overhead contact line. The presented results of field of propagation using the surge arrester varistor overvoltage limiters fully confirmed the adopted laboratory model. The results confirm the effectiveness of protection against surges the overhead contact line using varistor overvoltage limiters. BIBLIOGRAFIA 1. Praca CNTK 1002/24: Ochrona przeciwprzepięciowa i przeciwporażeniowa w urządzeniach srk z elementami elektronicznymi, Warszawa, Praca CNTK 4291/10: Opracowanie nowego systemu ochrony sieci trakcyjnej przed przepięciami, badania eksploatacyjne nowego systemu, określenie lokalizacji podłączenia ochrony od urządzeń sterowania trakcja i urządzeń sterowania ruche.etap1 Warszawa,

8 3. Praca IK 3889/10: Budowa i poligonowe badania prototypowego systemu ochrony przed przepięciami z ogranicznikami warystorowymi. Etap1 Zbadanie i określenie na drodze pomiarowej tłumienności przepięć przez sieć trakcyjną w funkcji drogi. Część 2. Badania laboratoryjne. Praca IK; Warszawa, grudzień Praca IK nr 44300/10 Określenie dopuszczalnych parametrów i poziomów zakłóceń dla urządzeń sterowania ruchem kolejowym. Warszawa, 2011 r. 5. Mikulski J., Młyńczak J.: Pomiary parametrów powrotnej sieci trakcyjnej, Materiały XI Międzynarodowej Konferencji Komputerowe Systemy Wspomagania Nauki, Przemysłu i Transportu TRANSCOMP, Zakopane, 2007 r. 6. A. Białoń, J. Furman, A. Kazimierczak Badania uszynień grupowych z wydłużoną długością sekcji XIV Międzynarodowa Konferencja Komputerowe systemy wspomagania nauki, przemysłu i transportu TRANSCOMP 2010 Zakopane 6 9 grudnia 2010 r 7. Adamski D., Białoń A., Furman J., Kazimierczak A., Laskowski M., Zawadka Ł. Problematyka tłumienności przepięć w sieci trakcyjnej 3kV DC IX Konferencja Naukowo-Techniczna Logistyka, Systemy Transportowe Bezpieczeństwo w Transporcie, Szczyrk, KWIETNIA 2012 r. 1900