Problematyka ochrona sieci trakcyjnej 3 kV prądu stałego przed przepięciami Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

UDC 621.331.3

A. BIALON, J. FURMAN, A. KAZIMIERCZAK, M. LASKOWSKI (INSTYTUT KOLEJNICTWA, POLSKA)

Institute of railways, 04-275 Warsaw, Poland, 50 Chlopitskogo Street, tel.: +48224731453, fax: +48224731036, e-mail: [email protected]

PROBLEMATYKA OCHRONA SIECI TRAKCYJNEJ 3 KV PR^DU STALEGO PRZED PRZEPI^CIAMI

Wprowadzenie

Kolejowa siec trakcyjna narazona jest na dzialanie przepi^c pochodzenia zewn^trznego (wyladowania atmosferyczne) i wewn^trznego (przepi^cia komutacyjne). Na dzien dzisiejszy urz^dzeniem, ktore chroni siec trakcyjna przed przepi^ciami jest odgromnik rozkowy, instalowany na konstrukcjach wsporczych sieci trakcyjnej. Ze wzgl^du na wysoki prog zadzialania odgromnik rozkowy nie jest w stanie ograniczyc amplitud wszystkich przepi^c, jakie mog^. wyst^powac w sieci trakcyjnej, dotyczy to przede wszystkim przepi^c komutacyjnych. W warunkach eksplo-atacyjnych prog zadzialania odgromnika rozkowego miesci si^ w granicach 20-30 kV. Tak wysoki prog zadzialania odgromnika rozkowego nie jest w stanie zapewnic odpowiedniego poziomu ochrony dla nowoczesnych urz^dzen elektro-nicznych stosowanych na kolei. W zwi^zku z powyzszym powstala koncepcja zastosowania warystorowych ogranicznikow przepi^c do ochrony sieci trakcyjnej, ktore zapewniaj^. bardziej stabilny i nizszy poziom ochrony.

Charakterystyka stanu obecnego

Wspomniane na wst^pie odgromniki rozkowe (rys.1) instalowane s^ wzdluz sieci jezdnej w odst^pach wynosz^cych okolo 1200 m, natomiast w obszarach zwi^kszonej aktywnosci burzowej odleglosci s^. mniejsze i wynosz^. okolo 600 m. Otwarte konce sieci jezdnej zabezpieczone s^ odgromnikami. Natomiast ze wzgl^du na zbyt wysoki poziom ograniczania przepi^c przez odgromniki rozkowe (okolo 20 kV), w podstacjach trakcyjnych, kabinach sekcyjnych i do ochrony kabli zasilaczy od strony sieci stosuje si^ przewaznie odgromniki zaworowe.

Odgromniki rozkowe s^ instalowane na wierzcholkach konstrukcji wsporczych.

W przypadku przepi^cia w sieci ulega przebiciu przerwa iskrownika odgromnika i pomi^dzy rozkiem pol^czonym z przewodem sieci jezdnej a rozkiem uszynionym zapala si^ luk elektryczny. Luk ten po odprowadzeniu fali przepi^ciowej przewodzi pr^d nast^pczy pod wplywem napi^cia roboczego. Nat^zenie tego pr^du zalezy od odleglosci miejsca

zainstalowania odgromnika od podstacji trakcyjnej. Pr^d nast^pczy zostaje przerwany w wi^kszosci przypadkow przez wyl^cznik szybki, poniewaz jego wartosc jest zwykle wyzsza od nat^zenia pr^du ich nastawienia. Powtorne samoczynne zal^czenie wyl^cznikow nie napotyka na trudnosci, wskutek szybkiej dejonizacji przerwy iskrowej odgromnika. W szczegolnych przypadkach, gdy pr^d nast^pczy jest nizszy od pr^du wyzwalania wyl^cznika, jego przerwanie nast^puje samodzielnie przez oddzialywanie podmuchu elektromagnetycznego i termicznego, na luk pal^cy sig na rozkach.

o ~J\

\ \ / ' *

____J.-—

Rys. 1. Odgromnik rozkowy: 1 - podstawa; 2 - rozek napi^ciowy; 3 - rozek uszyniony; 4 - izolator; 5 - zacisk do pol^czenia z przewodami sieci jezdnej

Statyczne napi^cie zaplonu odgromnikow rozkowych wynosi 30 kV. Poziom tego napi^cia jest wystarczaj^cy do ochrony izolacji glownej sieci trakcyjnej. Natomiast jest zbyt wysokie, aby mogly byc chronione urz^dzenia zainstalowane w podstacjach trakcyjnych, kabinach sekcyjnych, w elektryczny ch pojazdach trakcyjnych oraz zasilacze kablowe.

Dlatego tez do ochrony tych urz^dzen stosuje si^ odgromniki zaworowe. Zasadniczymi cz^sciami odgromnika zaworowego jest iskiernik oraz pol^czony z nim szeregowo rezystor. Rezystor odgromnika sklada si^ z kilku plytek, wykonanych z ziaren karbonitu spojonych lepiszczem. Rezystor zmienia swoj^. rezystanj w zaleznosci od nat^zenia pr^du. Zarowno iskiernik jak i rezystor s^.

© Bialon A. and oth., 2014

umieszczone w szczelnej obudowie porcelanowej. Z chwil^. pojawienia si^ w sieci przepi^cia o wartosci (> 4,5 kV) zagrazaj^cej izolacji chronionych urz^dzen, nast^puje zaplon na iskierniku i przez odgromnik zaczyna plyn^c pr^d do ziemi. W pierwszej chwili wartosc pr^du jest znaczna, a zatem rezystancja rezystora jest mala. W ten sposób utworzona zostaje droga, przez któr^. fala przepi^ciowa zostaje szybko odprowadzona do ziemi, a tym samym zostaje obnizona napi^cie. Po splyni^ciu ladunku fali przepi^ciowej przez odgromnik zaczyna plyn^c pr^d nast^pczy. Nat^zenie pr^du nast^pczego jest znacznie mniejsze od nat^zenia pr^du pioruna. W tym czasie rezystor odgromnika ma duz^. rezystancja i ogranicza pr^d nast^pczy do wartosci, przy której iskiernik moze go przerwac. Dla ulatwienia przerwania pr^du nast^pczego, bieguny iskiernika s^. umieszczone nad biegunami magnesu trwalego. Pole magnetyczne, oddzialuj^ce na luk pal^cy si^ pomi^dzy biegunami iskiernika, powoduje jego wydmuchiwanie poza bieguny. W ten sposób wydluza si^ droga pal^cego luku, co ulatwia jego zgaszenie. W dnie podstawy odgromnika znajduje si^ membrana, której zadaniem jest niedopuszczenie do nadmiernego wzrostu cisnienia w odgromniku w przypadku przeci^zenia (zabezpieczenie przed wybuchem).

Ochrona przeciwprzepi^ciowa realizowana za pomoc^ wyzej wspomnianych urz^dzen posiada nast^puj^ce wady:

- wysoki poziom statycznego napi^cia zaplonu iskierników, który jest uzalezniony od stanu przerwy iskrowej co powoduje brak ograniczania wi^kszosci zjawisk przepi^ciowych;

- duzy rozrzut charakterystyki udarowej i jej zaleznosc od warunków atmosferycznych;

- podczas zadzialania odgromnika rozkowego nast^puje przeplyw pr^du nast^pczego;

- pojawienie si^ pr^du nast^pczego wymusza zadzialanie wyl^cznika szybkiego, co z kolei wymusza ingerenj personelu w celu ponownego zal^czenia napi^cia zasilania.

W praktyce bardzo cz^sto moze miec miejsce takze nieprawidlowa regulacja odst^pu pomi^dzy elektrodami wyladowczymi odgromnika rozkowego, co ilustruje rys. 2. Fakt ten powoduje znacz^ce podwyzszenie napi^cia ograniczania, poniewaz zaleznosc wielkosci szczeliny wyladowczej od napi^cia zadzialania nie ma charakteru liniowego.

Przedstawiony stan ochrony

przeciwprzepi^ciowej sieci trakcyjnej i urz^dzen z ni^. zwi^zanych nie zapewnia w pelni ochrony rozbudowanych urz^dzen elektronicznych, które instalowane s^. na liniach kolejowych. Wobec tego koniecznosci^. staje si^ zbudowanie nowoczesnego

© Bialon A. and oth., 2014

systemu ochrony, opartego na elementach pólprzewodnikowych. Aby ten system móglby byc zaprojektowany i wdrozony musz^. zostac zrealizowane badania typu podstawowego, poniewaz aktualny stan wiedzy zawartej na ten temat w literaturze nie jest wystarczaj^cy.

Rys. 2. Nieprawidlowe rozstawienie elektrod wyladowczych w odgromniku rozkowym

Ocena stanu istniej^cego w swietle obowi^-zuj^cych norm

Obecnie eksploatowany system ochrony przepi^ciowej sieci trakcyjnej w swietle obowi^zuj^cych norm w zasadzie spelnia ich zalecenia. Izolacja glowna sieci trakcyjnej chroniona jest na poziomie 12 - 14 kV odgromnikiem rozkowym. Izolacja kabli zasilaczy od strony sieci trakcyjnej chroniona jest odgromnikami zaworowymi ograniczaj^cymi przepi^cia do poziomu 4,5 kV. Pojazdy zasilane z sieci chronione s^. rowniez ogranicznikami przepi^c na poziomie 4,5 kV. Energia udarow piorunowych poprzez elementy ochrony odprowadzana jest do ziemi i sieci powrotnej pr^du trakcyjnego, ktorej glownym elementem jest tor. Z zastosowanych tu elementow ochrony tylko odgromnik rozkowy jest zdolny do przyj^cia maksymalnej amplitudy pr^du wyladowania glownego, wynosz^cej 200 kA (tabl. 1.).

Z torem pol^czone s^. cz^sto elementy urz^dzen sterowania ruchem kolejowym (np. elementy obwodow torowych, czujniki kola, urz^dzenia do stwierdzania zagrzanych osi i plaskich miejsc). Urz^dzenia te chronione s^ od przepi^c na poziomie 5 kV [1]. Skutecznosc tych zabezpieczen jest niewystarczaj^ca, szczegolnie w miejscach, gdzie w poblizu instalacji elementow urz^dzen srk do toru przyl^czony jest odgromnik rozkowy. Brak koordynacji ochrony w tym przypadku jest przyczyn^. uszkodzen elementow urz^dzen srk od udarow piorunowych do sieci trakcyjnej. Zastosowane zaworowe ograniczniki przepi^c chroni^ce zasilacze podstacji ulegaj^. rowniez cz^stym awariom. Informacje te pochodz^. z eksploatacji.

Tablica 1

Wartosci podstawowych parametrow charakteryzuj^cych pr^d piorunowy

Stopnie zagroze nia Wartosci podstawowych parametrow pr^du piorunowego i efektywnosci ochrony

Poziomy ochrony Efektywnosc ochrony Wartosc szczytowa [kA] Stromosc narastania [kV/^s] Czas czola [N Czas do polszczytu [N Calkowity ladunek [C] Energia wlasciwa[ KJ/Œ]

Wylado I 98% 200 20 10 350 300 10000

wanie II 95% 150 15 10 350 225 5600

glowne III 90% 100 10 10 350 150 2500

IV 80% 100 10 10 350 150 2500

Wymagania dla ochrony sieci trakcyjnej przed przepiçciami

Kolejowa siec trakcyjna jest sieci^. napowietrzn^. i jest narazona na bezposrednie udary piorunowe. Elementy ochrony przepiçciowej powinny spelniac wymagania pierwszego poziomu ochrony (tabl. 1). Ten poziom ochrony zapewniaj^. eksploatowane dotychczas odgromniki rozkowe. Zast^pienie ich innymi ogranicznikami przepiçc zapewniaj^cymi efektywn^. ochrony wynosz^ rowniez 98% (I poziom ochrony) wymagaloby zast^pienie ich rownowaznymi ogranicznikami typu zaworowego. Wi^ze siç to z duzymi kosztami. Z danych zawartych w dostçpnej literaturze wynika, ze zaden z wymienionych ogranicznikow nie moze byc zastosowany bezposrednio do ochrony sieci trakcyjnej dla zapewnienia pierwszego poziomu ochrony. Bior^c pod uwagç intensywnosc burzow^. a Polsce okreslan^. mapami burzowymi z podanymi nich poziomami keraunicznymi (tzn. przeciçtn^. liczb^. dni burzowych w roku) proponuje siç przyj^c III poziom ochrony. Zapewnia on efektywnosc ochrony wynosz^ minimum 90%. Dla tego poziomu efektywnosci ochrony przyjmuje siç wartosc szczytow^. pr^du wyladowania doziemnego 100 kA. Ochrona ta powinna byc skoordynowana z ochrony urz^dzen zasilanych z sieci trakcyjnej jak i z ochrony urz^dzen przyl^czonych do sieci powrotnej.

Charakterystyka pr^dôw piorunowych wyladowan doziemnych

Ocena zagrozenia piorunowego sieci trakcyjnej wymaga okreslenia nastçpuj^cych wartosci charakteryzuj^cych pr^d piorunowy:

• wartosci szczytowej pr^du piorunowego,

• maksymalnej stromosci narastania czola impulsu pr^du piorunowego,

• ladunku przenoszonego przez pr^d piorunowy,

• energiç prçdu piorunowego wydzielon^. na rezystancji 1Q.

Dodatkowo wykorzystywane s^. nastçpuj^ce parametry uzupelniaj^ce:

• czas trwania czola pr^du piorunowego,

• czas do polszczytu na grzbiecie pr^du piorunowego,

• liczba udarow pr^dowych w wyladowaniu wielokrotnym.

Wartosci wymienionych parametrow rozlozone s^. w sposob losowy. W tabl. 1 przedstawiono wartosci dla pierwszej skladowej wyladowania doziemnego.

Wymagania koordynacji ochrony sieci trakcyjnej przed przepiçciami

Ochrona sieci trakcyjnej przed przepiçciami powinna byc skoordynowana z ochrony urz^dzen zasilanych z sieci trakcyjnej i urz^dzen przyl^czonych do sieci powrotnej:

• parametry wielkosci narazen pochodz^cych od sieci trakcyjnej nie powinny przekraczac wytrzymalosci na przepiçcia urz^dzen zasilanych z sieci trakcyjnej i przyl^czonych do sieci powrotnej.

• lokalizacja elementow ochrony odgromowej nie powinna ujemnie oddzialywac na urz^dzenia srk.

• lokalizacja elementow ochrony przepiçciowej od urz^dzen srk powinna byc udokumentowana wynikami badan w rzeczywistych warunkach terenowych.

Wymagania na elementy ochrony sieci trakcyjnej przed przepiçciami

Do ochrony sieci trakcyjnej przed przepiçciami zastçpuj^ce odgromniki rozkowe, nalezy stosowac ograniczniki przepiçc charakteryzuj^ce siç nastçpuj^cymi cechami:

• elementy ochrony powinny byc przystosowane do montazu na konstrukcjach wsporczych sieci trakcyjnej.

• uszkodzenie elementu ochrony (ukladu elementow) nie powinno powodowac trwalego zwarcia sieci do obwodu powrotnego.

© Bialon A. and oth., 2014

• element ochrony powinien wytrzymac najwyzsze trwale napiçcie zasilania sieci trakcyjnej 3900 V,

• element ochrony powinien wytrzymac pr^d udarowy 100 kA dla impulsu 10/350 ps,

• element ochrony powinien redukowac przepiçcie do wartosci > 6000 V.

Propozycje ochrony sieci trakcyjnej przed przepiçciami

System ochrony sieci trakcyjnej przed przepiçciami ma wplyw na ochronç urz^dzen zasilanych z sieci i przyl^czonych do sieci powrotnej. Dlatego rozwi^zanie tego zagadnienia musi byc wielowariantowe, tak, aby mozna bylo dokonac wyboru rozwi^zania zapewniaj^cego optymalne warunki pracy dla urz^dzen zasilanych z sieci trakcyjnej i dol^czanych do obwodu powrotnego. Warianty proponowanych rozwi^zan s^ scharakteryzowane ponizej kolejno.

Wariant pierwszy

W pierwszym rozwi^zaniu proponuje siç zachowanie stanu obecnego. W tym rozwi^zaniu odgromnik rozkowy ograniczaj^c amplitudç przepiçc na poziomie 14 kV zapewnia ochronç izolacji sieci. Ochrona przeciwprzepiçciowa urz^dzen wspólpracuj^cych z sieci^ trakcyjn^ i sieci^ powrotn^. musi byc zainstalowana na wejsciach i wyjsciach tych urz^dzen. Bior^c pod uwagç, ze w ogranicznikach rozkowych poziom ograniczania zalezy od stromosci narastania impulsu przepiçcia a takze parametrów mechanicznych odgromnika (wielosc szczeliny wynikaj^ca z naprçzen i zanieczyszczen), nie jest wiadomo jaki jest rzeczywisty poziom ograniczania przepiçc przez odgromnik rozkowy. W tej sytuacji moge byc przeci^zane ograniczniki w urz^dzeniach wspólpracuj^cych z sieci^ trakcyjn^. i obwodem powrotnym. W obwodach torowych ograniczanie przepiçc zaproponowane w pracy [1] wynosilo 5kV (przyjçto analogiczny poziom ochrony jak dla rozwi^zan stosowanych w telekomunikacyjnych sieciach napowietrznych). Obecnie proponowana wartosc podana w normie wynosi ok. 2kV (patrz PN-EN 50121-4). Bior^c pod uwagç doswiadczenia z eksploatacji tych urz^dzen, nalezy ocenic, ze zabezpieczenia te nie s^ wystarczaj^ce. A zatem caly ciçzar ochrony przed przepiçciami bçdzie polegal na poprawieniu parametrów ochrony obwodów wejsciowych i wyjsciowych tych urz^dzen. W przypadku rozleglej infrastruktury urz^dzen powi^zanych z torem, koszty ochrony przeciwprzepiçciowej bylyby bardzo wysokie. Dlatego ten sposób

© Bialon А. and oth., 2014

rozwi^zania problemu ochrony nalezy uznac za ekonomicznie nieuzasadniony. Z tego powodu nalezy zrezygnowac z tego rozwi^zania.

Wariant drugi

W drugim rozwi^zaniu proponuje siç zachowanie odgromników rozkowych oraz jednoczesne odsuniçcie miejsc instalacji elementów ochrony przeciwprzepiçciowej sieci trakcyjnej od elementów urz^dzen obwodów torowych.

W literaturze nie napotkano na informacje jaka jest rzeczywista wartosc tlumienia amplitud przepiçc w funkcji odleglosci w przypadku sieci trakcyjnej i toków szynowych. W pracy [1] podano w formie informacji, ze impedancja przejscia toki szynowe ziemia wzrasta wraz ze wzrostem stromosci czola narastania impulsu w sposób nieliniowy. S^ to dane niewystarczaj^ce do oszacowania tlumiennosci toru dla przepiçc odprowadzanych przez odgromnik rozkowy z sieci trakcyjnej do ziemi. Wiadomo, ze tor dla propagacji przepiçc nalezy traktowac jako klasyczn^ niesymetryczn^ liniç dluge o parametrach rozlozonych. Propagacja amplitudy udaru bçdzie zalezna od wielu róznych elementów powi^zanych z torem (rozjazdy, obecnosc dlawików torowych, pol^czen miçdzytorowych i miçdzytokowych, opornosc podtorza). Wariant ten jest stosunkowo tani pod warunkiem, ze bçd^ przeprowadzone pelne badania propagacji przepiçc w sieci trakcyjnej i tokach szynowych dla róznych rozwi^zan konstrukcyjnych sieci trakcyjnej i urz^dzen torowych. Nalezy przy tym równiez uwzglçdnic wplyw warunków srodowiskowych. Przepro-wadzenie badan umozliwi okreslenie przyblizonych odleglosci instalacji elementów ochrony odgromowej (odgromnik rozkowy) sieci trakcyjnej od elementów obwodów torowych i innych urz^dzen. Jednak w wielu przypadkach moze byc zabiegiem niewystarczaj^cym poniewaz przy zmianie lokalizacji mozna go by go zblizyc do innych urz^dzen wymagaj^cych ochrony przeciwprze-piçciowej.

Wariant trzeci

Wariant trzeci polega na czçsciowej zamianie odgromników rozkowych na ograniczniki typu zaworowego lub warystorowego zainstalowane w poblizu miejsc podl^czenia elementów obwodów torowych i innych urz^dzen z jednoczesne zmian^. lokalizacji wzglçdem polozenia pierwotnego. Zastosowanie ogranicznika typu zaworowego lub warystorowego w miejscu jego instalacji spowoduje zmniejszenie amplitudy przepiçc i ich czasu trwania. Jednak odleglosc zainstalowania ogranicznika od elementów obwodów torowych i

innych urz^dzen musi byc analogicznie jak w poprzednim wariancie poprzedzona badaniami propagacji przepiçc. Wariant ten wydaje siç byc najbardziej korzystny do sprawdzenia w pierwszej kolejnosci w próbnej eksploatacji.

Wariant czwarty

Wariant czwarty polega na wymianie wszystkich odgromników rozkowych na ograniczniki typu zaworowego lub w ostatecznosci warystorowego. Zastosowanie ogranicznika typu zaworowego lub warystorowego w miejscu jego instalacji spowoduje zmniejszenie amplitudy przepiçc i ich czasu trwania. Jednak odleglosc zainstalowania ogranicznika od elementów obwodów torowych i innych urz^dzen musi byc analogicznie jak w poprzednim wariancie poprzedzona badaniami propagacji przepiçc. Wariant ten moze byc docelowym dopiero po sprawdzeniu w próbnej eksploatacji wariantu trzeciego.

Wybór elementów ochrony przepiçciowej do ochrony sieci trakcyjnej od przepiçc

Ogólne kryteria wyboru nowych elementów ochrony

Wybór ogranicznika przepiçc powinien uwzglçdniac nie tylko parametry elektryczne ale równiez miejsce jego instalacji i warunki pracy, poniewaz decyduje to o skutecznosci ochrony i jego trwalosci. Warunki pracy przewidziane dla ogranicznika przepiçc powinny uwzglçdniac:

• temperaturç otoczenia;

• wysokosc miejsca instalowania nad poziomem morza;

• stan zanieczyszczenia srodowiska;

• przewidywana pozycja pracy, miejsce i sposób instalowania;

• przewidywane obci^zenia mechaniczne.

Przy ochronie sieci trakcyjnej nalezy brac pod

uwagç równiez informacje o:

• rodzaju urz^dzen zasilanych z sieci trakcyjnej;

• sposobie wl^czenia urz^dzen do sieci;

• dlugosci odcinków kablowych;

• znajomosci napiçc probierczych izolacji chronionych urz^dzen.

Bior^c pod uwagç powyzsze kryteria doboru ogranicznika przepiçc i wymagania na ochronç sieci trakcyjnej zastosowanie tylko samego iskiernikowego ogranicznika przepiçc (np. odgromnik rozkowy) powoduje wyst^pienie pr^du nastçpczego, który bçdzie mial w tym przypadku charakter pr^du zwarciowego az do chwili jego zgaszenia w wyniku zadzialania wyl^cznika szybkiego. Aby wyeliminowac mozliwosc wystçpowania pr^du nastçpczego, nalezy zastosowac szeregowe pol^czenie iskiernikowego

ogranicznika przepiçc i beziskiernikowego ogranicznika przepiçc z tlenków metali (ogranicznik warystorowy) lub tylko beziskiernikowy ogranicznik przepiçc z tlenków metali , który bçdzie aktywny tylko w okresie wystçpowania przepiçcia (patrz PN-EN 50123-5). Zalecanym do eksploatacji ogranicznikiem przepiçc powinien byc w zasadzie ogranicznik skladaj^cy siç z szeregowo pol^czonych iskiernikowego ogranicznika przepiçc i warystora.

Warystor wchodz^cy w sklad ogranicznika przepiçc jest bardziej wrazliwym elementem niz odgromnik iskiernikowy i moze skutecznie spelniac stawiane mu zadania tylko wtedy, gdy zostan^. wlasciwie dobrane jego parametry. Parametry warystora musz^. spelniac szereg warunków. Najwyzsze dopuszczalne udary pr^dowe, najwiçksza dopuszczalna energia i najwiçksza dopuszczalna srednia moc warystora musz^. byc wyzsze od tych, na które moze on byc narazony. Napiçcie trwalej pracy Uc powinno byc wyzsze od dopuszczalnych wahan napiçcia zasilania sieci.

Zgodnie z danymi zawartymi w tablicy 1 nalezy siç liczyc z najwyzsze wartosci^ pr^du udaru piorunowego wynosz^c^. nawet 200kA (skrajnym przypadku). Wyst^pienie takiego udaru do sieci trakcyjnej np. pomiçdzy ogranicznikami, spowoduje rozplyw pr^du w dwóch kierunkach wzdluz sieci trakcyjnej i do ograniczników dotrze po okolo 100 kA pr^du udarowego. Jest to jednak pr^d graniczny w wyniku którego moze nast^pic zmiana wartosci napiçcia znamionowego i starzenie siç struktury. Wartosc tego napiçcia moze siç zmieniac w gói^: lub w dól w stosunku do wartosci katalogowej. W pierwszym przypadku ograniczanie amplitudy przepiçc bçdzie nastçpowalo na wyzszym poziomie w stosunku do wartosci katalogowej. W drugim przypadku wartosc napiçcia moze siç zblizac do wartosci napiçcia trwalej pracy co grozi zniszczeniem warystora. Z tego wzglçdu nie nalezy stosowac warystora o mniejszym pr^dzie granicznym niz 100 kA. Jest to najczçsciej podawana wartosc granicznego pr^du wyladowczego (4/10ps). Tego typu warystory s^. przystosowane do wielokrotnego przyjmowania pr^dów wyladowczych w zakresie od 2,5 do 20 kA.

Wybór napiçcia trwalej pracy ogranicznika

Najwazniejszym parametrem ogranicznika zaworowego jest napiçcie jego trwalej pracy Uc. Przy wyborze wartosci napiçcia Uc nalezy spelnic nastçpuj^ce warunki:

1. Powinna byc wiçksza od wartosci napiçcia, która moze dlugotrwale wyst^pic na zaciskach ogranicznika.

2. Wartosc napiçcia Uc ogranicznika powinna byc wyzsza od spodziewanych amplitud przepiçc wolnozmiennych w sieci trakcyjnej.

© Bialon А. and oth., 2014

3. Ogranicznik powinien posiadac okreslon^. zdolnosc pochlaniania energii wyrazonej w kJ. Jest to zdolnosc do zaabsorbowania okreslonej energii przy przeplywie przez niego jednorazowego impulsu pr^dowego.

Wybor ogranicznika o zbyt niskim napi^ciu Uc zwi^zany jest z ryzykiem uszkodzenia z powodu naturalnego procesu degradacji (obnizanie lub wzrost wartosci napi^cia znamionowego). Degradacja objawiac si^ b^dzie stopniowo po kilku latach eksploatacji.

Jednoczesnie zysk z tytulu uzyskania nizszej ceny przy wyborze takiego ogranicznika jest i tak niewielki w stosunku do ponoszonego ryzyka.

Omowione wyzej uwagi dotycz^ce wyboru napi^cia Uc ogranicznika przepi^c ma jeszcze jeden wazny aspekt. W obwodach sieci trakcyjnej 3 kV nalezy si^ liczyc ze wzrostem napi^cia do wartosci 3900V DC i przepi^cia wolnozmiennego o amplitudzie 5075V i czasie trwania 20ms (patrz Karta UIC 550). Z tego wzgl^du przy wyborze ogranicznika do ochrony przed przepi^ciami pochodz^cymi od wyladowan atmosferycznych i procesow l^czeniowych, nalezy wybierac ograniczniki przepi^c wytrzymuj^ce energi^ pochodz^ od udarow piorunowych. Uwzgl^dniaj^c powyzsze zaleznosci i uwarunkowania, proponujemy przy wyborze ogranicznika zwi^kszyc wartosc napi^cia Uc o 15 % powyzej amplitudy napi^cia wolnozmiennego.

W zwi^zku z tym nalezy wybrac ogranicznik, ktorego trwale napi^cie trwale Uc powinno wynosic 5850V. Jednak najblizsza zalecana wartosc w normie wynosi 6000 V (patrz PN-EN 50123-5). Dlatego obnizenie poziomu ochrony ponizej tej wartosci nie jest zalecane w obecnych warunkach. Chc^c ograniczyc amplitude przepi^c na poziomie 4.5 kV nalezaloby zastosowac ogranicznik przepi^c, ktory powinien pochlon^c energi^ okolo 253 kJ co jest praktycznie trudne do osi^gni^cia (5075 kV x 2,5 kA x 20 ms = 253750 J).

Przepi^cia spowodowane procesami l^czeniowymi w obwodzie sieci trakcyjnej, ktorej impedancja ma charakter indukcyjny mog^. osi^gac wartosci rz^du 10 - 20 kV. Pr^d przeplywaj^cy przez warystor podczas ograniczania przepi^cia nie przekroczy wartosci pr^du plynacego w sieci trakcyjnej przed wyst^pieniem tych zjawisk dla tak wybranego ogranicznika (nie przekroczy pr^du plynacego przezen w czasie wyladowania piorunowego.

Wybor ogranicznika

W katalogach firm produkuj^cych ograniczniki przepi^c dla zakresu srednich napi^c wyszczegolnione s^. elementy maj^ce zastosowanie do ochrony sieci Internal reviewer Sichenko V. G.

© Bialon А. and oth., 2014

pr^du przemiennego. Jak przedstawiono wczesniej podstawowym parametrem jest napi^cie trwalej pracy ogranicznika Uc, ktore dotyczy wartosci skutecznej napi^cia przemiennego. Wartosc napi^cia pracy takiego ogranicznika zainstalowanego w sieci pr^du stalego nie jest rownowazna wartosci skutecznej ani wartosci szczytowej dla pr^du przemiennego, ktora podawana jest w katalogu dla danego typu ogranicznika. Od wartosci napi^cia trwalej pracy ogranicznika warystorowego zalezy wartosc napi^cia znamionowego, ktora decyduje o pocz^tku aktywnej pracy.

W warunkach kolejowych ogranicznik, w ktorego sklad wchodzi warystor musi pracowac przy duzych zmianach napi^cia sieci trakcyjnej (graniczne wartosci od 2000 - 3900 V oraz w obecnosci wolnozmiennych przepi^c 5075V/20 ms). Wymaga to przeprowadzenia badan laboratoryjnych dla wybranego z katalogu ogranicznika warystorowego w celu sprawdzenia jego przydatnosci do pracy w sieci trakcyjnej.

Z przeprowadzonych analiz wynika, ze najkorzystniejszym rozwi^zaniem jest wyszukanie wsrod producentow krajowych (BEZPOL, ABB Przasnysz, PELELECTRIC, APATOR Bydgoszcz) firmy ktora podj^la by si^ zmodyfikowania parametrow jednego ze swoich wyrobow, aby mozna bylo go zastosowac do ograniczania przepi^c w sieci trakcyjnej pr^du stalego 3000 V.

REFERENCES

1. Ochrona przeciwprzepi^ciowa i przeciwpora-zeniowa w urz^dzeniach srk z elementami elektronicznymi, Praca CNTK nr 1002/24, 1994r.

2. Budowa i poligonowe badania prototypowego systemu ochrony przed przepi^ciami z ogranicznikami warystorowymi. IK 2011.

3. Budowa i poligonowe badania prototypowego systemu ochrony przed przepi^ciami z ogranicznikami warystorowymi. Cz^sc 2. Badania laboratoryjne. IK 2011.

4. Warystory tlenkowe, Wojciech Pytel, PEELECTRIC, publikacja na prawach r^kopisu.

5. Zrodla i charakterystyka zagrozen przepi^ciowych, Zdobyslaw Flisowski, Materialy szkoleniowe f-my INEXIM, 1996.

6. Zaklocenia w urz^dzeniach elektronicznych, Alain Charoy, Zasady i porady instalacyjne, WNT, Warszawa, 2000.

7. Анохов I. В. Про електромагттну cyMicHicTb електрифiкованих залiзничних лiнiй постiйного струму / I. В. Анохов, М. П. Бадьор, В. I. Гаврилюк, В. Г. Сиченко // Залiзничний транспорт Укра!ни. -2000. - № 2. - С. 10-12.

8. Сиченко В. Г. Щдтвердження ввдповвдносп контактно! мереж1: проблеми та досввд // Залiзничний транспорт Укра!ни. - 2004. - №4. - С. 36-38.

Received 10.07.2014.

External reviewer Lezhnuk P. D.

Kolejowa siec trakcyjna narazona jest na dziatanie przepi^c pochodzenia zewn^trznego (wytadowania atmosferyczne) i wewn^trznego (przepi^cia komutacyjne). Na dzien dzisiejszy urzgdzeniem, ktore chroni siec trakcyjna przed przepi^ciami jest odgromnik rozkowy, instalowany na konstrukcjach wsporczych sieci trakcyjnej. Ze wzgl^du na wysoki prog zadziatania odgromnik rozkowy nie jest w stanie ograniczyc amplitud wszystkich przepi^c, jakie mogg wyst^powac w sieci trakcyjnej, dotyczy to przede wszystkim przepi^c komutacyjnych. Przedstawiony stan ochrony przeciwprzepi^ciowej sieci trakcyjnej i urzgdzen z nig zwigzanych nie zapewnia w petni ochrony rozbudowanych urzgdzen elektronicznych, ktore instalowane sg na liniach kolejowych. Wobec tego koniecznoscig staje si§ zbudowanie nowoczesnego systemu ochrony, opartego na elementach potprzewodnikowych. Aby ten system mogtby byc zaprojektowany i wdrozony muszg zostac zrealizowane badania typu podstawowego, poniewaz aktualny stan wiedzy zawartej na ten temat w literaturze nie jest wystarczajgcy. Autorzy referatu oferujg kilka rozwigzan technicznych w zakresie ochrony sieci trakcyjnej przed przepi^ciami. Pokazano, ze najkorzystniejszym rozwigzaniem jest wyszukanie wsrod producentow krajowych firmy ktora podj^ta by si§ zmodyfikowania parametrow jednego ze swoich wyrobow.

Stowa kluczowe: Uktad nap^dowy, prgdu statego, uderzenie pioruna, przetgczania zabezpieczenie, przeciwprzepi^ciowe.

УДК 621.331.3

А. БЯЛОНЬ, Ю. ФУРМАН, А. КАЗГМСРЧАК, М. ЛАСКОВСЬКИЙ (1НСТИТУТ ЗАЛ1ЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ, ПОЛЬЩА)

1нститут залiзничного транспорту, 04-275 Варшава, Польща, вул. Хлопiцького 50, тел.: +48 22 4731453, факс: +48 22 4731036, ел. пошта: [email protected]

ПРОБЛЕМАТИКА ЗАХИСТУ ТЯГОВО1 МЕРЕЖ1 ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ 3 КВ В1Д ПЕРЕНАПРУГИ

Тягова мережа пiддаeться впливам зовнiшнього (блискавки) i внутрiшнього походжень (комутацiйних пере-напруг). В даний час тим присгроем, який захищае мережу вщ перенапруг е роговий розрядник, який встанов-люеться на несучi конструкцп контактних мереж. Через високi значення напруги спрацьовування розрядник не в змозi зменшити амплiгуду всiх перенапруг, як можуть iснувати в контактна мережi, це стосуеться в основному комутацмних перенапруг. Представлено стан захисту контактно! мережi вiд перенапруги. Показано, що роз-рядники не забезпечують повний захист складних електронних пристроТв, встановлених на залiзничних л^ях. Таким чином, назрiла необхiднiсть створення сучасноТ системи захисту, заснованоТ на натвпровщникових при-строях. Для того, щоб ця система була розроблена i впроваджена, необхiднi додатковi дослщження, тому що сучасний рiвень знань, наявний в лтературних джерелах е недостатым. Автори статтi пропонують ктька технЬ чних рiшень для захисту контактно! мережi вiд перенапруг. Показано, що кращим рiшенням е пошук серед в^-чизняних виробникiв такоТ компанп, яка могла б модиф^увати параметри одного зi своТх продукпв.

Ключовi слова: тягова мережа, постшний струм, блискавка, комутацiйнi перенапруги, захист.

Внутршнш рецензент Сиченко В. Г. Зовшшнш рецензент Лежнюк П. Д.

УДК 621.331.3

А. БЯЛОНЬ, Ю. ФУРМАН, А. КАЗИМЕРЧАК, М. ЛАСКОВСКИЙ (ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА, ПОЛЬША)

Институт железнодорожного транспорта, 04-275 Варшава, Польша, ул. Хлопицкого 50, тел.: +48 22 4731453, факс: +48 22 4731036, эл. почта: [email protected]

ПРОБЛЕМАТИКА ЗАЩИТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 3 КВ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Тяговая сеть подвергается воздействиям внешнего (молнии) и внутреннего происхождений (коммутационных перенапряжений). В настоящее время тем устройством, которое защищает сеть от перенапряжений, является роговый разрядник, который устанавливается на несущие конструкции контактных сетей. Из-за высокого значения напряжения срабатывания разрядник не в состоянии уменьшить амплитуду всех перенапряжений, которые могут существовать в контактной сети, это касается в основном коммутационных перенапряжений. Представлено состояние защиты контактной сети от перенапряжения. Показано, что разрядники не обеспечивают полную защиту сложных электронных устройств, установленных на железнодорожных линиях. Таким образом, назрела необходимость создания современной системы защиты, основанной на полупроводниковых устройствах. Для того, чтобы эта система была разработана и внедрена, необходимы дополнительные исследования, потому что современный уровень знаний, имеющийся в литературных источниках является недостаточно. Авторы статьи предлагает несколько технических решений для защиты контактной сети от перенапряжений. Показано, что лучшим решением является поиск среди отечественных производителей такой компании, которая могла бы модифицировать параметры одного из своих продуктов.

Ключевые слова: тяговая сеть, постоянный ток, молния, коммутационные перенапряжения, защита.

Внутренний рецензент Сыченко В. Г. Внешний рецензент Лежнюк П. Д.

© Bialon А. and oth., 2014