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 730-735/2002 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 1-2/2004 51
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 300 3 20 25 i więcej I a 3 15 20 I b 3 10 15 I c 250 V 300 2 20 II a 3 15 20 II b 3 10 15 II c 4 15 20 II d 4 10 15 II e 5 15 20 II f 5 10 15 II g 200 V 250 2 15 III a 3 10 15 III b 4 10 15 III c 5 10 15 III d 160 V 200 2 6 10 IV a 2 10 15 IV b 2 15 25 IV c 3 6 10 IV d 3 10 15 IV e 4 6 10 IV f 4 10 15 IV g 5 6 10 IV h 5 10 15 IV i 120 160 2 * 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] 5000 5600 5000 5500 1.2. Dopuszczalna tolerancja [mm] 0 60 0 60 1.3. Wartości dopuszczalne [mm] 4950 4950 6200 6200 2. Dopuszczalne wartości zmiany pochylenia przewodu jezdnego Norma EN 50119 związane z charakterystyką trasy 3. Dopuszczalne odchylenie poprzeczne spowodowane wiatrem bocznym 400 2. 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] 1600 1.2. Szerokość ślizgacza w okresie przejściowym [mm] 1450 i 1950 2. Zasięg roboczy ślizgacza [mm] 1 200 3. Długość nakładek stykowych [mm] 800 4. Profil ślizgacza 4.1. Normowany profil ślizgacza rysunek 2 4.2. Profil ślizgacza w okresie przejścia Norma EN 50 367 5. 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 52 1-2/2004
Bezpieczeństwo i wyłączalność zwarć System zasilania elektroenergetycznego powinien uwzględniać stosowany system uziemień (uszynień) zgodnie z wymaganiami normy EN 50122-1 (1997). Ochrona od porażeń w warunkach pracy normalnej i awaryjnej ma być zapewniona poprzez ograniczenie napięć dotykowych zgodnie z normą EN 50122-1 (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 50119 (2001), p. 5.1.2 i EN 50122-1 (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) 400 600 720 800 2) System prądu stałego 400 1) 500 750 900 1000 2) (wartości średnie) 1000 1) 1000 1500 1800 1950 2) 2000 1) 2000 3000 3600 3900 2) 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 50 1500 V DC 75 750 V DC 65 750 V DC 6800 1500 V DC 5000 5000 3000 V DC 4000 4000 2500 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 7 25 000 V 50 Hz 15 000 V 16,7 Hz 3000 V DC 1500 V DC 750 V DC 0,9 0,95 0,9 0,9 0,8 1-2/2004 53
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 1 500 V DC 3000 V DC 15 000 V AC 25 000 V AC Strefa [V] 1300 2800 14 200 22 500 Pociąg [V] 1300 2800 14 200 22 500 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). 54 1-2/2004
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 1-2/2004 55