Rozwój krajowych podstacji trakcyjnych prądu stałego w górnictwie, komunikacji miejskiej i kolejnictwie

Rozwój krajowych podstacji trakcyjnych prądu stałego w górnictwie, komunikacji miejskiej i kolejnictwie Stefan Januszewski, Eugeniusz Korzycki, Henryk Świątek, Krzysztof Zymmer Trakcja elektryczna z wykorzystaniem do napędu silników szeregowych rozwinęła się na większą skalę, gdy pojawiły się możliwości efektywnego przekształcania napięcia przemiennego na napięcie stałe, bez użycia przetwornic wirujących. Szersze zastosowanie prostowników rozpowszechniło się dopiero od 1911 r., kiedy to został skonstruowany metalowy prostownik rtęciowy. Około 1930 r. zakończyła się podstawowa faza rozwoju prostowników rtęciowych [1]. Ówczesny przemysł w krajach rozwiniętych oferował dwa rodzaje pewnych w eksploatacji zaworów rtęciowych. Były to szklane szczelne prostowniki wieloanodowe o prądach 10 500 A oraz prostowniki żelazne, pompowe wieloanodowe o prądach od 500 A do ok. 8 ka. Napięcia wyprostowane przy mniejszych prądach zbliżały się do 1000 V. Zaistniały zatem warunki techniczne pozwalające na wykorzystanie prostowników rtęciowych do zasilania sieci w różnych systemach trakcyjnych prądu stałego. Zastosowanie w praktyce diod krzemowych umożliwiło modernizację zespołów prostownikowych stosowanych na podstacjach trakcyjnych prądu stałego zarówno w zelektryfikowanym transporcie kolejowym, jak i miejskim czy przemysłowym [2]. Modernizacja ta, rozpoczęta w latach 60., polegała głównie na wprowadzaniu do nowo budowanych podstacji prostowników krzemowych oraz na stopniowym zastępowaniu prostowników rtęciowych krzemowymi w podstacjach istniejących. Trakcja elektryczna w górnictwie Lokomotywy o napędzie elektrycznym pojawiły się w śląskich kopalniach węgla kamiennego w pierwszej dekadzie XX wieku. W okresie międzywojennym w polskim górnictwie pracowało już ok. 75% lokomotyw napędzanych silnikami elektrycznymi. Sieć trakcyjna prądu stałego była wówczas zasilana głównie z przetwornic elektromaszynowych, ale w eksploatacji znajdowały się również lokomotywy akumulatorowe. Po II wojnie światowej w ramach usprawniania transportu dołowego ujednolicono systemy zasilania, przyjmując dla trakcji kopalnianej napięcie 250 V prądu stałego. Rozbudowujący się intensywnie przemysł górnictwa węgla kamiennego wymagał sprawnego transportu podziemnego, do czego niezbędne były podstacje zasilające, z dominującymi wówczas prostownikami rtęciowymi. Remont uszkodzonych prostowników i ich produkcja rozpoczęły się w 1947 r. w wytwórni KATODA w Łodzi w krótkim czasie produkcja firmy pokryła krajowe zapotrzebowanie na te urządzenia. Dr inż. Stefan Januszewski, mgr inż. Eugeniusz Korzycki, mgr inż. Henryk Świątek, dr hab. inż. Krzysztof Zymmer Instytut Elektrotechniki w Warszawie, członkowie SEP Wytwarzanie metalowych zaworów rtęciowych o napięciu 250 V nie stwarzało poważniejszych kłopotów konstrukcyjnych i odbywało się bez specjalnych zakłóceń do połowy lat 60. W Polsce pierwsze prace nad zastosowaniem przemysłowym prostowników półprzewodnikowych (początkowo germanowych) rozpoczęto w Instytucie Elektrotechniki (IEl) w 1958 r. [3]. W latach 1958 1959 badano w IEl pierwsze egzemplarze germanowych diod DGM7-100 (70 V, 100 A) wytwarzanych w Zakładzie Elektroniki IPPT-PAN [4]. Następnie opracowano projekt, wykonano i poddano szczegółowym badaniom laboratoryjnym modelowy zespół prostownikowy (250 V, 50 kw), w którym zastosowano wymienione diody germanowe. Dzięki współpracy z resortem górnictwa węglowego, rozpoczęto starania zmierzające do wykorzystania prostowników półprzewodnikowych na podstacjach zasilających transport kopalniany. Wybór tej dziedziny zastosowania jako pierwszej został podyktowany specyficznymi warunkami eksploatacji urządzeń zasilających trakcję elektryczną prądu stałego w kopalniach węgla. Stosunkowo niskie napięcie (250 V), możliwość wykorzystania urządzeń o niezbyt dużej mocy (75 150 kw), trudne warunki eksploatacyjne (częste zwarcia w sieci) i inne względy stwarzały okoliczności umożliwiające przeprowadzenie istotnych doświadczeń przy niewielkich nakładach finansowych. Na początku 1961 r. wykonano w IEl prostownik germanowy typu PG-03 o mocy 75 kw (250 V, 300 A) dla podstacji kopalnianej [5]. Po próbach laboratoryjnych w IEl prostownik ten poddano próbom eksploatacyjnym w Zakładach Konstrukcyjno-Mechanicznych Przemysłu Węglowego (ZKMPW), w celu uzyskania odpowiedniej atestacji obowiązującej w górnictwie. Urządzenie zainstalowano w kopalni węgla kamiennego Bolesław Śmiały w Łaziskach Górnych w lipcu 1961 r. Prostownik PG-03 pracował tam w ruchu ciągłym, bez zakłóceń, do połowy 1964 r., a zatem łącznie trzy lata. Zdobyto wówczas szereg cennych doświadczeń natury technicznej oraz stwierdzono wielką przydatność tego typu urządzeń w warunkach dołowych kopalni. Był to pierwszy zaprojektowany i wykonany w Polsce prostownik półprzewodnikowy (rys. 1) przekazany do normalnej eksploatacji. Wprowadzenie tego prostownika do produkcji seryjnej okazało się niepotrzebne, gdyż już wówczas pojawiły się na rynku pierwsze diody krzemowe o korzystniejszych właściwościach w stosunku do diod germanowych. Dzięki dostępności w latach 1958 1959 krajowych germanowych diod mocy można było przeanalizować i sprawdzić eksperymentalnie rozwiązania dotyczące układów sygnalizacji uszkodzeń diod, zabezpieczeń przetężeniowych i zwarciowych oraz łączenia szeregowego i równoległego diod. W latach 1960 1961 w ówczesnych Zakładach Konstrukcyjno- -Mechanizacyjnych Przemysłu Węglowego w Katowicach (obecnie EMAG), przy współudziale Instytutu Elektrotechniki i Fabryki Transformatorów MEFTA w Mikołowie, opracowano, wykonano 38 Rok LXXIII 2005 nr 12

Rys. 1. Pierwszy eksperymentalny prostownik germanowy PG-03 (250 V, 300 A) dla trakcji elektrycznej kopalnianej. Opracowanie i wykonanie Instytut Elektrotechniki (1959 1960) i zbadano prototyp automatycznej przewoźnej stacji prostownikowej typu APSP 100/6-250 (100 kw, 250 V) zasilanej z sieci 6 kv, którą przekazano do eksploatacji w 1962 r. w kopalni Makoszowy (rys. 2). Pozytywne wyniki doświadczeń już w 1963 r. pozwoliły na wykonanie w Fabryce MEFTA serii pilotowej kilkunastu stacji. Stacje prostownikowe APSP 100/6-250 z serii próbnej zostały poddane wnikliwym próbom laboratoryjnym oraz eksploatacyjnym w kopalniach węgla, ze szczególnym uwzględnieniem prób zwarciowych i badań związanych z koordynacją zabezpieczeń przetężeniowych [6]. Produkcja seryjna tych stacji została uruchomiona w 1964 r. w fabryce MEFTA. Instytut Elektrotechniki opracował i wykonał wyłączniki szybkie WSL-400 A/250 V, dostosowane do zabezpieczenia przed zwarciami występującymi w sieciach trakcyjnych [7]. Stacje APSP 100/6-250 miały układy prostownikowe wykonane z diod krzemowych i były wyposażone w zabezpieczenia przetężeniowe oraz układy do zdalnego sterowania i kontroli działania sieci trakcyjnej. W stacji wbudowano zabezpieczenia różnicowe typu RZT-3, wyróżniające zwarcie w sieci trakcyjnej od nakładających się prądów rozruchowych równocześnie uruchamianych lokomotyw. Dodatkowo stacje wyposażono w układ próby linii UPL, kontrolujący stan izolacji sieci i układ samoczynnego ponownego załączania napięcia. W następnych latach, przy współudziale OBR EMAG, powstawały modyfikacje stacji prostownikowych. Zautomatyzowana stacja tyrystorowa typu APST, przeznaczona do zasilania przewodu trakcyjnego płynnie regulowanym napięciem wyprostowanym od 0 do 250 V, powstała w 1988 r. Wyposażenie stacji APST w prostowniki sterowane umożliwiło użytkownikom wykonywanie prac spawalniczych na trasach przewozowych, przy wykorzystaniu sieci trakcyjnej jako źródła zasilania. Według opinii użytkowników, omawiane stacje należały do urządzeń elektrycznych o małym stopniu awaryjności, mimo dosyć złożonego układu elektrycznego i dużego upakowania obudowy podzespołami. W drugiej połowie lat 60. instalowano w kopalniach ponad 100 takich stacji rocznie. W okresie szczytowego wydobycia węgla kamiennego w kopalniach śląskich pracowało ok. 1500 stacji o łącznej mocy ok. 250 MW, z których zasilano sieć trakcji podziemnej o łącznej długości ponad 2500 km [8]. Stacje te nadal są eksploatowane z powodzeniem w polskim górnictwie. Komunikacja miejska Uruchomienie przez firmę SIEMENS kolejki elektrycznej na wystawie w Berlinie w 1879 r. przyjmuje się za początek zastosowania trakcji elektrycznej w komunikacji miejskiej. Pomysł ten wykazał tak duże zalety i możliwości rozwoju, że już parę lat potem, w wielu miastach (Berlin 1881, Paryż 1882) zastąpiono tramwaje konne elektrycznymi. Do zasilania sieci trakcyjnych stosowano agregaty elektromaszynowe. Przed II wojną światową Warszawa i większe polskie miasta miały komunikację tramwajową. Sieć trakcyjna 660 V była zasilana z podstacji wyposażonych w importowane prostowniki rtęciowe (BBC, AEG, SSW). Rys. 2. Automatyczna przewoźna stacja prostownikowa typu APSPa-100/6-250 (100 kw, 250 V). Opracowanie i wykonanie układu prostowniczego Instytut Elektrotechniki, opracowanie automatyki i wykonanie kompletnej stacji Zakłady Konstrukcyjno- -Mechanizacyjne Przemysłu Węglowego w Katowicach, produkcja Mikołowska Fabryka Transformatorów Rok LXXIII 2005 nr 12 39

Po wojnie w związku z urbanizacją kraju powstała konieczność rozbudowy komunikacji miejskiej. W roku 1947 z inicjatywy grupy polskich specjalistów różnych dziedzin techniki powstała w Łodzi prywatna Wytwórnia Prostowników Rtęciowych KATODA. W ten sposób zapoczątkowano naprawę, a następnie konstruowanie i produkcję prostowników rtęciowych dużej mocy dla potrzeb trakcji tramwajowej i kolejowej. Od początku istnienia wytwórni czołowym konstruktorem tych urządzeń był inż. Rajmund Kiljański (1911 1992). W pierwszych latach produkcji prostowników rtęciowych popełniono szereg błędów [1]. Kilka serii prostowników PR-06 (660 V, 600 A) wyprodukowanych w latach 1949 1951 nie odpowiadało wymaganiom eksploatacji. Mała wytwórnia cierpiała na duże braki w zaopatrzeniu materiałowym oraz w wyposażeniu maszynowym i laboratoryjnym. Instytut Elektrotechniki w sposób systematyczny współpracował z wytwórnią KATODA przy udoskonalaniu konstrukcji i technologii prostowników rtęciowych. Współpraca ta nie stwarzała jednak możliwości objęcia całokształtu zagadnień, związanych z działaniem i eksploatacją prostowników rtęciowych. Konieczne było podjęcie prac naukowo-badawczych o charakterze perspektywicznym, które pozwoliłyby adaptować dotychczasowe osiągnięcia zagranicznych placówek naukowych i rozszerzyć własny stan wiedzy w tej dziedzinie [1]. W wyniku tych prac doraźnie zmodernizowano konstrukcję przestarzałych prostowników rtęciowych PR-06, w sposób spełniający wymagania eksploatacyjne tak, że produkcja tych urządzeń trwała do końca lat 60. (rys. 3). Planowane opracowanie nowego bezpompowego prostownika rtęciowego 660 V dla trakcji miejskiej stało się nieaktualne wobec intensywnego rozwoju prostowników krzemowych. Udział Instytutu Elektrotechniki w pracach związanych z działalnością badawczą, projektowaniem, przygotowaniem produkcji i rozwoju zastosowania prostowników trakcyjnych był znaczący. Najwcześniej stworzono podstawy konstrukcji nieregulowanych prostowników krzemowych (diodowych) dużej mocy, przeznaczonych do zastąpienia prostowników rtęciowych na podstacjach komunikacji miejskiej i kolejowej. Następnie IEl brał udział w pracach nad dalszym rozwojem tych konstrukcji. W 1962 r. KATODA została organizacyjnie przyłączona do Fabryki Transformatorów i Aparatury Trakcyjnej ELTA. Z tą datą wiąże się wprowadzenie do produkcji nowej generacji przekształtników półprzewodnikowych również możliwe dzięki współpracy z Instytutem Elektrotechniki w zakresie projektowania i badań prototypów [9]. W pierwszej połowie lat 60. opracowano w IEl podstawy konstrukcji trakcyjnych krzemowych zespołów prostownikowych PK 09/0,66 (900 A, 660 V), a następnie badano i oceniano prototypy wykonane w fabryce ELTA (rys. 4). Rozwinięta produkcja seryjna tych prostowników całkowicie zaspokoiła potrzeby krajowe. W ciągu 25 lat samodzielnego istnienia fabryki ELTA wyprodukowano trakcyjne prostowniki diodowe o sumarycznej mocy ok. 4600 MW [10]. Spełniając współczesne wymagania komunikacji miejskiej, Instytut Elektrotechniki opracował w latach 2000 2002 nowy prostownik diodowy PD-1,2/0,66 (1,2 ka, 0,66 kv), przeznaczony dla podstacji zasilających linie tramwajowe i trolejbusowe o 12-pulsowym napięciu wyprostowanym, z transformatorem trójuzwojeniowym oraz dławikiem wyrównawczym (rys. 5). Układy mostków trójfazowych zostały zbudowane z 6 diod pastylkowych produkcji krajowej. Prostownik został wyposażony w elektroniczne urządzenie kontrolno-pomiarowe MPZ11, mierzące napięcie, prąd oraz temperaturę obudowy diody i jej radiatora. Urządzenie to może być przystosowane do przesyłania informacji o mierzonych parametrach w dowolnym systemie zdalnego sterowania. Prostownik wykonało Przedsiębiorstwo Kolejowych Robót Elektryfikacyjnych. Rys. 3. Prostownik rtęciowy, bezpompowy typu PRB (660 V lub 250 V, 600 A). Opracowanie Fabryka Prostowników KATODA w Łodzi, przy współpracy Instytutu Elektrotechniki w zakresie badań i oceny. Produkowany w latach 1959 1967 w kilku odmianach konstrukcyjnych. W okresie tym dostarczono do podstacji miejskich i kopalnianych kilkaset prostowników tego typu, dzięki czemu zahamowano praktycznie import Rys. 4. Prostownik krzemowy PK-09/0,66 (900 A, 660 V) o naturalnym chłodzeniu, do zasilania sieci trakcyjnej o napięciu 660 V, dla potrzeb komunikacji miejskiej. Wykonawca Fabryka ELTA, przy współudziale Instytutu Elektrotechniki w zakresie opracowania i badań 40 Rok LXXIII 2005 nr 12

W Instytucie Elektrotechniki opracowano także 12-pulsowy zespół prostownikowy ZP-3,2/0,825 (3,2 ka, 825 V) dla podstacji trakcyjnych warszawskiego metra. W skład tego zespołu wchodzą dwa prostowniki PD-1,7/0,825 (1,7 ka, 825 V) (rys. 6), każdy w układzie mostka trójfazowego, oraz dwa suche transformatory o mocy 1,6 MVA i układach połączeń Y/d11 i D/d0. Zespół ten został zainstalowany w 2003 r. na podstacji trakcyjnej metra Wilanowska i pracuje bezawaryjnie. Kolejowa trakcja elektryczna Uruchomienie trakcji elektrycznej w PKP zostało zapoczątkowane w 1937 r. zelektryfikowaniem linii dojazdowej Warszawa Otwock [11]. Odbywało się to w czasie, kiedy przemysł produkcji prostowników rtęciowych w skali światowej wkraczał w okres szerokiego rozwoju, a w Polsce tego rodzaju przemysł jeszcze nie istniał liczba instalacji prostownikowych była bardzo niewielka. Pochodzące wyłącznie z importu (EEC, AEG, BBC, SSW) zespoły większych mocy, wymagające fachowej obsługi, były eksploatowane prawie wyłącznie przez kolej (PKP) i przedsiębiorstwa komunikacji miejskiej. Tylko niewiele dużych firm zagranicznych produkowało wówczas zespoły prostownikowe o napięciu 3300 V prądu stałego, które zostało uznane przez PKP za znormalizowane napięcie dla trakcji elektrycznej kolejowej. W wyniku działań wojennych 1939 r. i w czasie powstania w 1944 r. nastąpiły bardzo duże zniszczenia w urządzeniach trakcyjnych węzła warszawskiego. Jednak już w 1946 r. uruchomiono trakcję elektryczną do Otwocka [12]. Dalsza odbudowa zniszczeń wojennych w transporcie i przemyśle krajowym opierała się początkowo wyłącznie na imporcie prostowników rtęciowych dużej mocy (np. ASEA, Szwecja). Właściwa rozbudowa elektryfikacji na krajowych liniach dalekobieżnych rozpoczęła się na początku lat 50. od trasy Warszawa Katowice, z odgałęzieniem do Łodzi. W związku z intensywną elektryfikacją PKP, w połowie lat 50. podjęto decyzję opracowania własnej konstrukcji prostowników rtęciowych o napięciu 3,3 kv. Podstawowe prace rozwojowo-konstrukcyjne były prowadzone w IEl, z udziałem przemysłu. Przedsięwzięcie to było jednak spóźnione i mimo pozytywnych wyników badań prototypu prostownika rtęciowego dalsze prace nad jego wprowadzeniem do produkcji zostały w 1963 r. przerwane, ze względu na wchodzące do eksploatacji prostowniki krzemowe. Na rynku światowym zanikał również popyt na prostowniki rtęciowe do podstacji trakcyjnych. W połowie lat 60. PKP powzięły decyzję o stosowaniu w nowych podstacjach kolejowych wyłącznie prostowników krzemowych. Pierwsza podstacja została wyposażona w 1966 r. w prostowniki krzemowe szwajcarskiej firmy Secheron. Dynamikę wprowadzania tych rozwiązań przedstawiono na rysunku 7. Instytut Elektrotechniki opracował koncepcję i założenia konstrukcji prostowników krzemowych 3,3 kv dla podstacji kolejowych oraz prowadził badania kolejowych prototypów tych prostowników [13]. Wyniki tej działalności doprowadziły do opublikowania przydatnej w projektowaniu i eksploatacji graficznej metody określania przeciążalności prądowej i wytrzymałości zwarciowej trakcyjnych prostowników krzemowych [14]. W latach 70. utrzymywało się wysokie tempo elektryfikacji kolei do ok. 350 km/rok, co wymagało wykonania ok. 30 zespołów prostownikowych rocznie do nowych podstacji. Trakcyjne krzemowe zespoły prostownikowe o 12-fazowej pulsacji napięcia wyprostowanego PD-16/3,3 oraz PD-12/3,3 [13], wdrożone przy udziale Instytutu Elektrotechniki do produkcji seryjnej w 1985 r. Rys. 5. Prostownik diodowy PD-1,2/0,66 (1200 A, 660 V) dla podstacji tramwajowych i trolejbusowych. Opracowanie i badania Instytut Elektrotechniki, wykonanie Przedsiębiorstwo Kolejowych Robót Elektryfikacyjnych Rys. 6. Prostownik diodowy PD-1,7/0,825 (1700 A, 825 V) dla podstacji trakcyjnych warszawskiego metra. Opracowanie, wykonanie, badania i uruchomienie Instytut Elektrotechniki Rok LXXIII 2005 nr 12 41

Porównanie wyników eksploatacyjnych obu rozwiązań technicznych w warunkach podstacji trakcyjnych rozmieszczonych wzdłuż linii szybkiego ruchu umożliwi PKP dokonanie wyboru rodzaju zasilania tych podstacji. Zespół zasilany ze 110 kv pracuje bezawaryjnie od 5 lat, zaś alternatywny zespół zasilany z 15 kv został włączony do ruchu w 2003 r. Obecnie PKP eksploatuje ok. 450 podstacji o napięciu 3,3 kv DC. W zakresie pracy przewozowej w 1996 r. 85% zadań było wykonywanych przez kolejową trakcję elektryczną, wykorzystującą urządzenia produkcji krajowej. Rys. 7. Wzrost mocy i liczby podstacji trakcyjnych PKP 3,3 kv oraz liczby zespołów prostownikowych (z podziałem na rtęciowe i krzemowe) wg [12] w ówczesnej Fabryce ELTA w Łodzi, są eksploatowane w sieci PKP od 20 lat. Zespoły te, z trójuzwojeniowymi transformatorami o napięciu zwarcia 8%, są zasilane liniami średniego napięcia (15 lub 20 kv). Przeprowadzone w końcu lat 90. analizy techniczne i symulacje komputerowe wykazały, że wyposażone w takie zespoły podstacje trakcyjne nie będą mogły zapewnić wymaganego dla linii szybkiego ruchu wystarczającego obciążenia, a zwłaszcza dotrzymania zakresu wahań napięcia w sieci trakcyjnej. Wynika to ze zbyt pochyłej zewnętrznej charakterystyki napięciowo-prądowej zespołów prostownikowych oraz stosunkowo znacznych spadków napięcia w typowych napowietrznych liniach zasilających średniego napięcia. W celu ograniczenia tych niedogodności, PKP przyjęły wariant budowy nowego 12-pulsowego zespołu prostownikowego, z czterouzwojeniowym transformatorem zasilanym bezpośrednio z sieci wysokiego napięcia 110 kv (rys. 8). Jest to zespół z jednostopniową transformacją napięcia 110 kv AC / 3,3 kv DC [15]. Alternatywnym rozwiązaniem jest dostosowanie nowego zespołu do zasilania średnim napięciem (15 lub 20 kv) tam, gdzie nie ma w pobliżu linii 110 kv, ale z transformatorem o napięciu zwarcia 6%. Spełniając wymagania PKP, Instytut Elektrotechniki zaprojektował i wykonał w kooperacji dwa warianty nowych 12-fazowych zespołów dla trakcji 3,3 kv DC [16]. Oba zespoły mają identyczne prostowniki diodowe o takich samych parametrach znamionowych, ale różne transformatory (dostosowane do wielkości napięcia zasilającego) oraz różne bezrdzeniowe dławiki wygładzające (o obciążalnościach dopasowanych do prostowników krzemowych). Działalność normalizacyjna Doświadczenia uzyskiwane w wyniku prowadzonych w Instytucie Elektrotechniki prac dotyczących właściwości zaworów rtęciowych i ich zastosowań jako prostowników zasilających podstacje trakcyjne umożliwiły przygotowanie pierwszych krajowych wymagań normalizacyjnych związanych z tymi urządzeniami. Od początku były brane pod uwagę postanowienia międzynarodowych zaleceń, opracowywanych przez Komitet Techniczny IEC22 (International Electrotechnical Commision) powołany w 1934 r. Wyłoniony w 1937 r. Podkomitet 22A, do czasu jego rozwiązania w 1970 r., opublikował trzy kolejno nowelizowane zalecenia dotyczące prostowników rtęciowych. W tworzeniu tych zaleceń brali udział eksperci z IEl, wnosząc uwagi do projektów. Już w 1949 r. opracowano w Instytucie Elektrotechniki Tymczasowe przepisy na zespoły prostownikowe z zaworami rtęciowymi, ze szczegółowym komentarzem [1]. Materiały te w znacznej mierze przyczyniły się do przygotowania projektu pierwszej krajowej normy PN- -55/E-06071 Zespoły prostownikowe z zaworami rtęciowymi. Przepisy ogólne, która po nowelizacji w 1962 r. stanowiła podstawowy dokument regulujący produkcję i użytkowanie tych urządzeń, do czasu wyeliminowania ich z eksploatacji przez prostowniki krzemowe. Rys. 8. Prostownik diodowy PD-1,7/3,3 (1700 A, 3300 V) dla kolejowych podstacji trakcyjnych zasilających linie szybkiego ruchu, przy jednostopniowej transformacji napięcia z sieci 110 kv. Opracowanie, wykonanie, badania i uruchomienie Instytut Elektrotechniki 42 Rok LXXIII 2005 nr 12

W 1962 r. powołano w Instytucie Elektrotechniki Komisję Normalizacyjną ds. Przekształtników Energetycznych. Jej przewodniczącymi byli kolejno: prof. Zygmunt Figurzyński z Politechniki Warszawskiej, doc. Jan Grygołajtys i doc. Jerzy Bagieński z IEl, zaś sekretarzem mgr inż. Stefan Januszewski. Komisja działała do 1994 r. W okresie wdrażania nowej techniki przekształtników półprzewodnikowych prowadzono równolegle działania normalizacyjne, zmierzające do opracowania wymagań konstrukcyjno-eksploatacyjnych dotyczących tych urządzeń. Prace prowadzono dwutorowo, uczestnicząc w opiniowaniu projektów międzynarodowych zaleceń IEC z jednej strony, równocześnie przygotowując odpowiednie krajowe przepisy, uwzględniające zaaprobowane postanowienia międzynarodowe [17]. Działania te z reguły były poprzedzane referatami normalizacyjnymi, w których szczegółowo omawiano najważniejsze problemy techniczne związane z wprowadzaniem prostowników krzemowych. Referaty były opiniowane przez producentów i użytkowników urządzeń przekształtnikowych. Tworzone w ten sposób Polskie Normy były łatwiej przyjmowane przez odbiorców i umożliwiały sprawne wykorzystywanie nowej techniki półprzewodnikowej. W miarę rozwoju własnych badań przyrządów półprzewodnikowych i ich zastosowań w układach przekształtnikowych, w Instytucie Elektrotechniki opracowano normy PN dotyczące wymagań i badań związanych z diodami i tyrystorami. Powstała również norma PN-75/E- -06073 Przekształtniki półprzewodnikowe z komutacją zewnętrzną, z uwzględnieniem postanowień zawartych w publikacji IEC 146 (1973) Przekształtniki półprzewodnikowe (Semiconductor converters). Do połowy lat 90. wymagania tych norm stanowiły podstawę oceny krajowej produkcji przekształtników półprzewodnikowych także tych przeznaczonych do zastosowań trakcyjnych. W związku ze wstąpieniem Polski do Unii Europejskiej została przyjęta przez Polski Komitet Normalizacyjny zasada bezpośredniego tłumaczenia Norm Europejskich (EN), które w zakresie energoelektroniki są identyczne z odpowiednimi normami IEC, i zatwierdzania ich jako PN. W ten sposób powstała w 1996 r. norma PN-IEC 60146-1-1 Przekształtniki półprzewodnikowe Wymagania ogólne i przekształtniki o komutacji sieciowej Część 1-1: Wymagania podstawowe, która zastąpiła PN-75/E-06073 i stanowiła podstawę opracowywania w Instytucie Elektrotechniki nowych konstrukcji prostowników półprzewodnikowych przeznaczonych do podstacji trakcyjnych kolejowych i komunalnych. Podsumowanie Wprowadzanie nowoczesnych przekształtników półprzewodnikowych do zasilania dołowych stacji trakcyjnych, stacji tramwajowych i kolejowych zostało dokonane wyłącznie na podstawie pracy krajowych ośrodków badawczo-wdrożeniowych, równolegle z ówczesnym światowym rozwojem tej dziedziny energoelektroniki. Zelektryfikowanie ponad 11 tys. km linii kolejowych oraz tysięcy kilometrów linii tramwajowych i górniczych było w znacznej mierze zasługą Instytutu Elektrotechniki, który przez cały okres swej 60-letniej działalności przywiązywał dużą wagę do pionierskich prac naukowo- -badawczych związanych z rozwojem krajowej trakcji elektrycznej, a w szczególności źródeł jej zasilania, początkowo w postaci prostowników rtęciowych, a następnie krzemowych. W wyniku działalności prowadzonej kompleksowo w Instytucie w latach 1958 1968 przygotowano produkcję prostowników krzemowych dla podstacji trakcyjnych w Fabryce ELTA w Łodzi oraz w Mikołowskiej Fabryce Transformatorów w zakresie przewoźnych podstacji trakcyjnych dołowych opracowywanych w Zakładach Konstrukcyjno-Mechanizacyjnych Przemysłu Węglowego (obecny EMAG). W ramach prac rozwojowych wykonane zostały zespoły eksperymentalne dla podstacji PKP o napięciu 3,3 kv oraz dla komunikacji miejskiej (tramwaje 660 V, metro 825 V), których szczegółowe badania laboratoryjne i eksploatacyjne umożliwiły określenie zasad konstrukcji trakcyjnych prostowników krzemowych, uwzględniających możliwości produkcyjne i wymagania użytkowników. Kontynuowane w ostatnich latach działania zmierzają do uzasadnionej ekonomicznie modernizacji istniejących rozwiązań oraz podniesienia poziomu technicznego współczesnych podstacji trakcyjnych przez wprowadzanie nowych racjonalnych projektów prostowników (z układami diagnostyki i monitorowania), ich badań laboratoryjnych, wykonawstwa, uruchamiania i nadzoru tych urządzeń w okresie wstępnej eksploatacji. Z satysfakcją należy nadmienić, iż modernizowane krajowe prostowniki krzemowe odpowiadają wymaganiom norm międzynarodowych, są niezawodne i ekonomiczne w eksploatacji oraz zostały w pełni zaakceptowane przez użytkowników. LITERATURA [1] Grygołajtys J., Wdowiak J.: Kierunki rozwojowe przekształtników rtęciowych. Przegląd Elektrotechniczny 1957 nr 1 2 [2] Grygołajtys J., Januszewski S., Ośluk R., Wdowiak J.: Zespoły prostownikowe z diodami krzemowymi na podstacjach trakcyjnych prądu stałego. Sympozjum PAN-AGH Problemy nowoczesnej trakcji elektrycznej, Kraków 1968 [3] Januszewski S.: Prace nad zaworami półprzewodnikowymi w Instytucie Elektrotechniki. PAN Materiały Pierwszej Krajowej Narady Elektroniki, Warszawa 1958 [4] Januszewski S., Klamka J.: Pierwsze polskie germanowe diody mocy i ich rola w rozwoju krajowych urządzeń energoelektronicznych. Elektronika 1991 nr 2 [5] Januszewski S.: Prostownik germanowy 75 kw, 250 V dla stacji trakcyjnych dołowych. Przegląd Elektrotechniczny 1961 nr 12 [6] Januszewski S., Szczucki F.: Automatyczna przewoźna stacja prostownikowa dla trakcji dołowej. Przegląd Elektrotechniczny 1965 nr 7 [7] Lisowski K.: Małogabarytowe wyłączniki szybkie prądu stałego. Prace Instytutu Elektrotechniki 1965 z. 42 [8] Januszewski S., Szczucki F.: 25 lat eksploatacji automatycznych przewoźnych stacji prostownikowych w polskim górnictwie. Przegląd Elektrotechniczny 1990 nr 10 11 [9] Januszewski S., Zymmer K.: Zakład Przekształtników Mocy w publikacji 50 lat Instytutu Elektrotechniki. Wyd. Książkowe Instytutu Elektrotechniki, Warszawa 1996 [10] Januszewski S., Zymmer K.: Energoelektronika. Przegląd Elektrotechniczny 1994 nr 10 [11] 60 lat elektryfikacji PKP. Centralna Dyrekcja Okręgowa Kolei Państwowych, Warszawa 1996 [12] Frontczak F. i in.: 50 lat elektryfikacji PKP. WKiŁ, Warszawa 1989 [13] Korzycki E.: Przekształtniki diodowe 12-fazowe dla potrzeb trakcji elektrycznej PKP. Zalety oraz wynikające nowe zagadnienia techniczne. Prace Instytutu Elektrotechniki 1985 z. 136 [14] Korzycki E.: Metoda graficznego określania przeciążalności prostowników diodowych. Prace Instytutu Elektrotechniki 1978 z. 98 [15] Korzycki E., Świątek H., Zymmer K.: Trakcyjny zespół prostownikowy z jednostopniową transformacją napięcia 110/3 kv. VIII Sympozjum Politechniki Śląskiej Podstawowe problemy energoelektroniki i elektromechaniki, Wisła 1999 [16] Korzycki E., Świątek H., Zymmer K.: Nowe 12-pulsowe trakcyjne zespoły prostownikowe dla linii 3 kv DC szybkiego ruchu. Technika Transportu Szynowego 2004 nr 9 [17] Januszewski S.: Zagadnienia normalizacji półprzewodnikowych przyrządów mocy i urządzeń energoelektronicznych. Prace Instytutu Elektrotechniki 1981 z. 119 Rok LXXIII 2005 nr 12 43