Poprawa bezpieczeństwa elektrycznego i ochrony przed przepięciami w infrastrukturze kolejowej III Kongres Elektryki Polskiej / Warszawa, 03 kwietnia 2019 r.
Tło historyczne Rosnący poziom szkód w urządzeniach przytorowych w trakcie nasilających się od lat nawałnic burzowych stał się przyczyną rozpoczęcia przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. od roku 2007 prac badawczych nad możliwymi sposobami istotnego ograniczenia skutków przecięć powstających w infrastrukturze kolejowej. W efekcie tych wieloletnich badań wypracowany został system ochrony, który w postaci zasad realizacji ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi i przepięciami w połączeniu z_wymaganiami ochrony przeciwporażeniowej został szczegółowo przedstawiony w opracowanych wytycznych i jest od 1 sierpnia 2018 r. wprowadzany do stosowania w ramach kolejowych projektów inwestycyjnych realizowanych przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. Wymagania techniczne dla zapewnienia ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym, przed przepięciami i od wyładowań atmosferycznych w strefie oddziaływania sieci trakcyjnej DC 3 kv Iet-120 Warszawa, 2018 Załącznik do uchwały Nr 438/2018 Zarządu PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. z dnia 12 czerwca 2018 r. 2
Zdefiniowanie środowiska EM w otoczeniu sieci trakcyjnej DC 3 kv w Polsce Dwa różne rozwiązania dotyczące zapewnienia ochrony od porażeniem prądem elektrycznym uszynienie indywidualne - bezpośrednie indywidualne podłączenie wszystkich części metalowych do systemu sieci powrotnej uszynienie grupowe w systemie otwartym uziemienie części metalowych z_podłączeniem ich z systemem sieci powrotnej poprzez ogranicznik niskonapięciowy VLD 3
Zdefiniowanie środowiska EM w otoczeniu sieci trakcyjnej DC 3 kv w Polsce Uszynienie indywidualne Odgromnik rożkowy Słup Bezpośrednie (indywidualne) połączenie z szyną Lina nośna + Przewód jezdny Szyny Izolatory Stara konstrukcja Nie stosuje się przy budowie nowych lub modernizacji linii kolejowych, na których: metalowe konstrukcje są podłączane bezpośrednio do szyny, powietrzny ogranicznik iskiernikowy (odgromnik rożkowy) włączony jest pomiędzy przewodami trakcyjnymi DC 3 kv i szyny jezdne, odgromniki rożkowe instalowane są typowo w odległości około 1,2 km. 4
Zdefiniowanie środowiska EM w otoczeniu sieci trakcyjnej DC 3 kv w Polsce Słup Elektroda uziemienia lokalnego Lina uszynienia grupowego Uszynienie grupowe poprzez VLD VLD Odgomnik rożkowy Lina nośna + Przewód jezdny System uszynienia grupowego Izolatory Szyny Nowa konstrukcja Obecnie stosowana przy budowie nowych lub modernizacji linii kolejowych, na których: każda metalowa konstrukcja jest bezpośrednio uziemiona i połączona wzajemnie liną uszynienia grupowego, sieć trakcyjna jest podzielona na sekcje uszynienia grupowego, które są na końcach podłączone pośrednio do szyn jezdnych poprzez ogranicznik niskonapięciowy (VLD) dla zapewnienia bezpieczeństwa elektrycznego, odgromnik rożkowy jest włączony między przewód jezdny a (+ DC 3 kv) a uziemiona linę uszynienia grupowego, odgromniki są instalowe co 1200 m. Przekładki izolacyjne Fundament odizolowany od metalowej konstrukcji słupa dla uniknięcia przepływu przez fundament prądów zakłóceniowych 5
Zdefiniowanie środowiska EM w otoczeniu sieci trakcyjnej DC 3 kv w Polsce System uszynienia grupowego Lina uszynienia grupowego (uziemiona) Ogranicznik niskonapięciowy VLD VLD Uziemienie 6
EZZ TCK Zdefiniowanie środowiska EM w otoczeniu sieci trakcyjnej DC 3 kv w Polsce Przewód uszynienia grupowego Podstacja trakcyjna SEE DC 3 kv WS DC AC Ogranicznik przepięć DC 3 kv Ogranicznik przepięć DC 3 kv Przewód jezdny główna szyna powrotna Kable powrotne R GSP R F R SŁ R F R SŁ R F R SŁ R F R sz Uszynienie bezpośrednie indywidualne Uszynienie otwarte grupowe Sposoby włączenia ograniczników przepięć do ochrony systemu zasilania trakcji elektrycznej o napięciu DC 3 kv z uszynieniem bezpośrednim i uszynieniem grupowym w systemie otwartym: 7
prąd [ka] Zakres i wyniki ostatnich badań poligonowych 100 Główne cele badań terenowych: 80 d = d 1. Weryfikacja, czy istniejące odgromniki rożkowe są zdolne do działania po zamontowaniu warystorów w sieci trakcyjnej i 2. Przy jakiej odległości wzdłuż sieci trakcyjnej między tymi ogranicznikami możliwa jest koordynacja energetyczna ich działania? 60 40 20 20 ka 8/20 µs 100 ka 10/350 µs 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 czas [µs] 8
Zakres i wyniki ostatnich badań poligonowych Podsumowanie testów koordynacyjnych Dla prawidłowej koordynacji działań powietrznego ogranicznika iskiernikowego (odgromnika) i_warystora powinno się zapewnić odległość b pomiędzy nimi około 600 m oraz następujące odległości między elektrodami odgromnika rożkowego: lina uszynienia grupowego DC 3 kv (+) G 60 m b = var a = 1200 m a = 1200 m VLD szyny( ) dla systemu uszynień bezpośrednich indywidualnych d = d d = 7.5 ± 0.5 mm dla uszynień grupowych w systemie otwartym d = 7.0 ± 0.5 mm 9
Zakres i wyniki ostatnich badań poligonowych Symulacja bezpośredniego uderzenia pioruna w pobliżu warystora - linia kolejowa z uszynieniem grupowym w systemie otwartym - odległość odgromnika rożkowego od warystora wynosiła 600 m. 10 kv/div, 50 s/div 2,5 ka/div, 100 s/div (I max = 2,5 ka) Napięcie i prąd odgromnika rożkowego 5 kv/div, 50 s/div 2,5 ka/div, 100 s/div (I max = 4,5 ka) Napięcie i prąd warystora 10
Zdefiniowanie klas ochrony odgromowej sieci trakcyjnej Tabela Klasyfikacja poziomu ochrony odgromowej sieci trakcyjnej dla różnych kategorii linii kolejowej Kategoria linii kolejowej Klasa ochrony Poziom ochrony odgromowej ** KLK 0 Magistralna* Ochrona premium LPL I KLK 1 Pierwszorzędna Ochrona normalna LPL II KLK 2 KLK 3 Drugorzędna Znaczenia miejscowego Ochrona obniżona LPL III * w tym linie kolei szybkich z zastosowanym systemem ETCS ** poziom ochrony odgromowej określony w PN-EN 62305 Tabela Klasa LPS i odpowiadające jej maksymalne wartości prądu pioruna przyjmowane do założeń projektowych wg PN-EN 62305 Poziom ochrony odgromowej Klasa urządzenia piorunochronnego Wartość szczytowa prądu pioruna I (10/350 µs), ka LPL I LPS I 200 LPL II LPS II 150 LPL III LPL IV LPS III LPS IV 100 11
Zdefiniowanie klas ochrony odgromowej sieci trakcyjnej Zgodnie z zasadami koncepcji strefowej ochrony odgromowej w fazie projektowej należy dokonać podziału obiektu na strefy ochrony odgromowej LPZ, które ogólnie definiowane są jako: LPZ 0 A - strefa na zewnątrz obiektu, w której występuje zagrożenie bezpośredniego wyładowania atmosferycznego oraz oddziaływanie całkowitego prądu pioruna i całkowitego pola magnetycznego; LPZ 0 B - strefa na zewnątrz obiektu, osłonięta przed wyładowaniem bezpośrednim, w której możliwe jest oddziaływanie częściowego prądu pioruna lub prądów indukowanych oraz całkowitego pola magnetycznego; LPZ 1 N - strefy wewnątrz obiektu, w których nie występuje zagrożenie wyładowaniem bezpośrednim, ale możliwe jest oddziaływanie ograniczonego prądu pioruna lub prądów indukowanych oraz całkowitego lub stłumionego pola magnetycznego. 12
Nowe regulacje w zakresie bezpieczeństwa elektrycznego Zdefiniowanie rezystancji uziomów tych konstrukcji wsporczych sieci trakcyjnych i budowli, na których zainstalowane miałyby być ograniczniki przepięć oraz ograniczniki napięcia dotykowe VLD z poziomu 50 Ω na 10_Ω lub 20 Ω - w zależności od rezystywności gruntu; Określenie obostrzeń i rozwiązań technicznych dla ograniczenia zagrożeń wynikających z możliwości wystąpienia na stacjach kolejowych mieszanych systemów uszynień; przewód uszynienia grupowego przewód uszynienia grupowego przewód uszynienia grupowego 3 kv 3 kv 3 kv U T = 0 VLD U T > 0 warstwa elektroizolacyjna VLD R s R s R s R sz R sz R sz 13
Nowe regulacje w zakresie bezpieczeństwa elektrycznego Zastosowanie sekcji izolujących w ogrodzeniach usytuowanych prostopadle do osi toru, aby nie wynosić na znaczne odległości potencjału ze strefy oddziaływania sieci trakcyjnej; Powszechne, a na obszarach ogólnie dostępnych wyłączne stosowanie słupów, które dzięki swojej budowie, nie dopuszczają do wspinania się po nich bez środków pomocniczych (słupołazy, drabina, podnośnik) albo słupy wyposażone w dodatkowe zabezpieczenie przed wspinaniem się; < 5 m sekcja o długości co najmniej 2,50 m Układanie wzdłuż linii środkowej każdego peronu uziomu wyrównawczego liniowego na całej długości peronu, do którego przyłączone powinny być części przewodzące, wymagające uszynienia. Taki układ powinien uszyniony być przez jeden ogranicznik napięcia dotykowego VLD, z właściwą wielkością rezystancji uziemienia tego ogranicznika; 20 m 20 m studzienka kontrolno-pomiarowa peron 1 uziom wyrównawczy liniowy ogrodzenie przewodzące po obu stronach odstęp izolacyjny o długości co najmniej 3,00 cm przewód uszynienia grupowego 14
Nowe regulacje w zakresie bezpieczeństwa elektrycznego Dla celów projektowych opracowano mapę średniej gęstości wyładowań atmosferycznych w latach 2011 2015, przyporządkowaną do wszystkich tras linii kolejowych PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.; Określono wytyczne w zakresie stosowania ograniczników przepięć typu 1, 2, 3, 1+2, 1+2+3 a także wymagania stawiane tym ogranicznikom przepięć jako mającym zabezpieczać obwody zasilane niskim napięciem 230/400 V 50 Hz; Określono wymagania dla wykonywania połączeń ochronnych, uszyniających i wyrównawczych; Przedstawiono wymogi układania kabli teletechnicznych i_elektroenergetycznych w strefie oddziaływania górnej sieci jezdnej i obwodu powrotnego, w tym w zakresie skrzyżowań kabli z torami kolejowymi. 15
Dalsze prace badawcze PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. prowadzi dalsze prace doświadczalne (poligonowe) związane z ochroną przed przepięciami, które mogą w dalszym stopniu poprawić bezpieczeństwo pracy urządzeń przytorowych w obszarze oddziaływania sieci trakcyjnej. Wyniki poligonu pozwolą na doprecyzowanie regulacji, które uwzględniane w przyszłych zadaniach inwestycyjnych zapewnią bardziej skuteczną ochronę przed wyładowaniami atmosferycznymi i_przepięciami. Legenda: Odcinek objęty poligonem wariant I Odcinek objęty poligonem wariant II Odcinek objęty poligonem wariant III 16
Dalsze prace badawcze Jako lokalizację poligonu doświadczalnego wybrano odcinek linii kolejowej nr 1 między Rozprzą a_radomskiem. Wybrany fragment linii został podzielony na trzy odcinki, na których zaprojektowano i_zabudowano trzy różne warianty systemu ochrony przed przepięciami. Realizacja poligonu doświadczalnego obejmuje: Wykonanie pomiarów rezystancji uziemienia konstrukcji wsporczych - zrealizowano; Opracowanie projektu systemu w oparciu o oczekiwaną jego konfigurację - zrealizowano; Wykonanie prac montażowych nowych urządzeń ograniczających przepięcia oraz dostosowanie uziomów konstrukcji wsporczych do nowych wymagań - zrealizowano; Obserwacja, rejestracja ilości wydarzeń (uszkodzeń z uwagi na przepięcia atmosferyczne i łączeniowe) na odcinkach objętych poligonem oraz odcinkach przylegających w realizacji do grudnia 2020 r.; Opracowanie Raportu Końcowego wraz z uaktualnieniem mapy średniej gęstości doziemnych wyładowań piorunowych odniesionej do linii kolejowych zarządzanych przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. w_realizacji do grudnia 2020 r. 17
Dalsze prace badawcze I wariant poligonu a b b a a a a a a b b Najmniej złożony z trzech testowanych układów, składający się z ograniczników warystorowych. Ogranicznik iskiernikowy (odgromnik rożkowy) Ogranicznik warystorowy Lokalny uziom słupa trakcyjnego z zaciskiem rozłącznym Izolator sekcyjny Przewód sieci jezdnej Przewód uszynienia grupowego Odległości przyjmowane dla lokalizacji elementów ochrony przed przepięciami wzdłuż trasy sekcji zasilania sieci trakcyjnej 3kV DC Odległość, [m] a 900 ±130 200 b 18
Dalsze prace badawcze II wariant poligonu a b b a a a a a a b b Wariant ten wykorzystuje zaproponowane w wariancie I ograniczniki warystorowe z jednoczesnym zastosowaniem odgromników rożkowych. Ogranicznik iskiernikowy (odgromnik rożkowy) Ogranicznik warystorowy Lokalny uziom słupa trakcyjnego z zaciskiem rozłącznym Izolator sekcyjny Przewód sieci jezdnej Przewód uszynienia grupowego Odległości przyjmowane dla lokalizacji elementów ochrony przed przepięciami wzdłuż trasy sekcji zasilania sieci trakcyjnej 3kV DC Odległość, [m] a 600 ±130 200 b 19
Dalsze prace badawcze III wariant poligonu Najbardziej złożony ze wszystkich wariantów. Polega na pełnym wykorzystaniu układu zaprezentowanego w wariancie II i dodaniu nowych urządzeń, które mają za zadanie zabezpieczać obwody torowe przed oddziaływaniem prądów piorunowych. Zakłada się zastosowanie układów iskiernikowych ograniczników przepięć, których zadaniem będzie ograniczanie niebezpiecznych przepięć międzytokowych oraz międzytorowych podczas wyładowania piorunowego w sieć trakcyjną. Odległości pomiędzy poszczególnymi elementami ochrony przed przepięciami (odgromniki rożkowe i ograniczniki warystorowe) podobnie jak w przypadku wariantu II. Układ IOP zabudowuje się dla każdej lokalizacji, na której przewidziano montaż ogranicznika przepięć (warystorowego lub iskiernikowego). 20
Oczekiwane rezultaty poligonu doświadczalnego Potwierdzenie przydatności ograniczników warystorowych dla ochrony sieci trakcyjnej DC 3 kv w_skoordynowanym układzie z odgromnikami rożkowymi lub w układzie bez odgromników rożkowych; Wykazanie, że odgromniki rożkowe w konfiguracji z ogranicznikami warystorowymi odprowadzają przeważającą część prądu piorunowego z sieci trakcyjnej chroniąc przy tym również warystory przed termiczną niestabilnością w obecności częściowych prądów piorunowych a warystory zapewniają kilka razy niższy napięciowy poziom ochrony (do 12 kv w miejscu ich lokalizacji); Ustalenie zasad tolerancji lokalizowania względem siebie iskiernikowych i warystorowych ograniczników przepięć montowanych na konstrukcjach wsporczych sieci trakcyjnych oraz ich minimalnych odległości od wrażliwych na impulsy elektromagnetyczne urządzeń przytorowych, dla przyjętych klas ochronności. Wdrożenie w ramach nowej finansowej perspektywy unijnej 2021-2027 jeszcze efektywniejszych rozwiązań w zakresie zapewnienia ochrony przed przepięciami i od wyładowań atmosferycznych, infrastruktury kolejowej znajdującej się w strefie oddziaływania sieci trakcyjnej DC 3 kv. 21
Dziękujemy za uwagę Mgr inż. Radosław Burak-Romanowski Mgr inż. Paweł Malinowski Dr inż. Marek Patoka 22