Ing. Karel Stoll CSc. Praha
Historický přehled měření rušivých vlivů železničních vozidel na zabezpečovací zařízení
1 Důvody vzniku měření rušivých vlivů Modernizace hnacích vozidel v sedmdesátých letech přinesla do oblasti železniční zabezpečovací techniky značné problémy. Byla to především tyristorová regulace hnacích vozidel v obou trakčních soustavách. Na tyto problémy nás upozornilo zahájení provozu v síti DB a ÖBB, kde se objevila rušení velkých úrovní na kolejových obvodech 100 Hz v trakční proudové soustavě 16 2/3 Hz a která byla s obtížemi následně řešena. To bylo dobrým předznamenáním pro řešení opatření v síti ČSD , kdy za využití prvních zahraničních zkušeností bylo možno ve spolupráci s našimi výrobci hnacích vozidel mnohým problémům předejít. Náš železniční výzkum se orientoval na měření těchto vlivů od roku 1970. Brzy se začala uskutečňovat rozsáhlá mezinárodní spolupráce hlavně v rámci Výzkumného a zkušebního ústavu (ORE) se sídlem v Utrechtu, kde byla řešena problematika“Tyristory v železniční technice – následky a řešení“ ,. Dále pak v Organizaci spolupráce železnic (OSŽD) tehdejšího východního bloku. V obou organizacích se naše dráhy aktivně podílely na řešení popsané problematiky. Zastoupením v oblasti železniční zabezpečovací techniky jsem byl pověřen osobně, z hlediska trakčního pohledu pak kolega Ing. Hlava CSc. rovněž z VÚŽ Praha. Zaměřme se nyní na rušení kolejových obvodů. Kolejnice jako takové jsou používány k mnoha účelům. Je to vedení zpětného trakčního proudu na elektrifikovaných tratích, vedení zpětného topného proudu na neelektrifikovaných tratích, dále je to objekt na připojení různých kovových konstrukcí a drenážních zařízení. Konečně jsou kolejnice využívány pro vedení pracovních proudů kolejových obvodů. Z hlediska rušení je ovlivnění závislé na Druhu kolejového obvodu, jeho délce a parametrech Druhu a velikosti rušivého proudu Době ovlivnění Homogenitě kolejového vedení a proudové symetrii v kolejnicích
Obr 1 Schéma kolejového obvodu - a) dvoupásový kolejový obvod, - b) jednopásový kolejový obvod Itr – trakční proud, Is – signální proud, ST – stykový transformátor, V- vysílač pracovního signálu, P – přijímač kolejového obvodu
Na obr.1. je znázorněno vedení trakčního proudu Itr a signálního proudu Is u jednopásových a dvoupásových kolejových obvodů. U jednopásového obvodu vzniká 100% nesymetrie v důsledku vedení proudu pouze jednou kolejnicí (obr.1a). U dvoupásového obvodu (obr.2b.) protéká proud oběma polovinami hlavního vinutí stykového transformátoru ST a ze středu vinutí pokračuje propojkou do druhého stykového transformátoru, kde se opět symetricky rozdělí. V případě stejné velikosti proudu v obou kolejnicových pásech a tím v obou polovinách hlavního vinutí ruší se vzájemně jeho účinky a do vedlejšího vinutí s připojeným přijímačem P se neindikuje žádná rušivá složka. Stykové transformátory musí zachovat funkční způsobilost při asymetrii do 10 %, při čemž asymetrie je dána vztahem
[I1] - [I2] a = ────── x 100 % [I1] + [I2]
Nestejné rozdělení trakčního proudu je dáno a) příčnou asymetrií způsobenou různým odporem kolejnic proti zemi v důsledku ukolejňování kovových konstrukcí podél tratě b) podélnou asymetrií vlivem nestejného odporu kolejnic, různého přechodového odporu kolejnicových spojek i částečných lomů kolejnice
2 Zásady měření V odvětví zabezpečovací techniky byla od počátku snaha respektovat nejnepříznivější kombinace stavů hnacího vozidla , kolejového obvodu a případně napájecí stanice. Při vlastním měření byly sledovány tyto alternativy:
2.1 Hnací vozidlo Hnací vozidla s polovodičovými měniči jsou nejzávažnějším reprezentantem rušivých zdrojů. V podmínkách ČSD přišly v souladu s celosvětovým vývojem v úvahu nejprve tyristorové měniče na vozidlech střídavé trakční proudové soustavy. Rozšíření na vozidla stejnosměrné trakční soustavy se uskutečnilo později. Obsah různých kmitočtů ve spektru zpětného trakčního proudu a s tím spojené rušení je závislý jednak na trakčním výkonu, jednak na zapojení vlastních obvodů hnacího vozidla a jeho parametrech. U hnacích vozidel střídavé trakční soustavy s polovodičovým řízením a diodovým usměrňovačem jsou produkovány pouze liché harmonické kmitočty, které mají s rostoucím kmitočtem výrazně klesající tendenci.Při aplikaci tyristorových měničů se však amplitudy proudových složek mění v závislosti na řídícím úhlu tyristoru. V případě nesymetrie úhlů otevření tyristorových můstků vznikají pak i sudé harmonické kmitočty. U hnacích vozidel stejnosměrné proudové soustavy se ve spektru zpětného trakčního proudu vyskytuje základní kmitočet pulsního měniče s jeho harmonickými násobky.Při současné funkci více pulsních měničů fázově posunutých, je výsledný kmitočet závislý na tomto počtu. Řídící kmitočet pulsních měničů proto musí být volen tak, aby v žádném případě nedošlo k zasažení pracovních pásem, užívaných zabezpečovací technikou. Při hodnocení se respektují tyto stavy a) stejnosměrná trakční proudová soustava - Různé kmitočty pulsního měniče v závislosti na rychlosti a proudovém odběru vozidla - Stav hnacího vozidla - normální chod pulsních měničů - poruchový chod (vyřazení jednoho podvozku) - Kombinace více vozidel v napájecím úseku
b) střídavá trakční proudová soustava - Úplná nesymetrie tyristorového můstku - Stav hnacího vozidla: - normální stav poruchový stav (vyřazení jednoho podvozku) - Kombinace více vozidel v napájecím úseku
2. 2.Kolejový obvod - Zapojení různých přijímacích konců kolejového obvodu - Charakter vedení zpětného trakčního proudu v kolejnicích: Jednou kolejnicí – jednopásové obvody Oběma kolejnicemi – dvoupásové obvody - Symetrie dvou pásových kolejových obvodů - dokonalá symetrie -zvýšená asymetrie - havarijní stav
2.3. Napájecí stanice - Stejnosměrná trakční proudová soustava - napájení s filtrem - napájení bez filtru - U obou trakčních soustav – tolerance napájecího napětí
3 Zkoušené lokomotivy s tyristorovou regulací a) Střídavá trakční proudová soustava 25 kV / 50 Hz První zkušenosti v oblasti rušení byly získány na prototypu lokomotivy 40 E 2, tj. na rekonstruované původní lokomotivě S 478.1. Lokomotiva měla střední výkon – 3200 kW Usměrňovač je tvořen třemi neřízenými diodovými můstky spojenými do serie. Každý můstek je napájen z jednoho vinutí přes antiparalelní skupinu tyristorů. Postupným otevíráním těchto tří skupin lze měnit spojitě celkové usměrněné napětí od 0 do 380 V. Jmenovité parametry lokomotivy jsou Rychlost vn = 60 km/h Proud In = 1000 A. Pro měření byla sestavena tabulka ( Tab.1), ve které jsou i úhly otevření, zpětně zjištěné z oscilografických záznamů.
Tab 1 Měrné režimy prototypové lokomotivy 40E2 První zkoušky byly provedeny v žst. Nezvěstice u Plzně, v době výstavby staničních kolejových obvodů . Použitý kolejový obvod délky 750 m byl na obou stranách zakončen stykovými transformátory DT 1-150. Na obr.2 jsou kopie záznamů zpětného trakčního proudu. Jsou to typické ukázky skreslení pro tyristorovou regulaci fázovým způsobem. Na záznamech lze určit okamžiky otevírání můstků.
Obr. 2. Průběhy zpětného trakčního proudu pro režimy A, B, C, D, E
Tím byla zahájena dlouhodobá spolupráce s lokomotivkou ŠKODA zejména v osobě Doc. Ing. Jiřího Danzera CSc. . V té době jsme vyhodnocovali proudové i napěťové záznamy smyčkovým oscilografem RFT typu 12 LS-1. Použity byly smyčky 4000 Hz a záznamy se uskutečnily na registrační samovyvolávací papír. Z těch pak byla provedena analýza pomocí komplexu kalkulátoru Hewlett-Packard ve spojení s převaděčem na vstupní hodnoty kalkulátoru (Digitizér). Použita byla nejvyšší rychlost posuvu (4,5 m/s), takže délka periody pro základní kmitočet 50 Hz byla 90mm. Tato délka byla rozdělena na 150 bodů dle rozlišovací schopnosti snímače grafických hodnot a hodnoty harmonických kmitočtů se snímaly do 40- ti násobku základního kmitočtu. Nevýhoda tohoto měření ve stanici byla v tom, že docházelo k rozdělení zpětného trakčního proudu jistou měrou i do ostatních kolejnic
Obr 3 . Měrný kolejový obvod dvoupásový s dvoufázovým relé Mg – měřící magnetofon, Ú – útlumový článek, O – oscilograf, R – přijímací relé dvoufázové, K – kolejové vinutí, M - místní vinutí, A – bod pro zavedení nesymetrie,
Proto byl pro měření rušivých úrovní vybudován na ŽZO v Cerhenicích měrný kolejový obvod délky 1050 m ( viz obr.3). Tento obvod měl možnost aplikace různých přijímacích konců. Kromě různých druhů výstroje dvoupásových obvodů byl používán rovněž jako jednopásový obvod. Havarijní stav kolejového obvodu byl simulován odpojením jednoho lana od stykového transformátoru v místě A. Obvod byl umístěn v km 11.68 ŽZO . Při měření se aplikovalo vždy jednostranné napájení z měnírny. Jako proudové snímače byly použity upravené klešťové ampérmetry.
Pět zvolených režimů označených písmeny A až E je definováno těmito hodnotami: A B C D E
... ... ... ... ...
v=0 v=0 v = 0,5vn v = vn v = vn
I = In I = 1,5 In I = In I = In I = 0,5 In
... ... ... ... ...
rozjezd normálního vlaku rozjezd těžkého vlaku pomalá jízda ve stanici po rozjezdu jízda těžkého vlaku jízda normálního vlaku
Při prvních měřeních byl kolejový obvod pojížděn od napájecího konce směrem k přijímacímu ze vzdálenosti přibližně 1000 m nebo méně a to podle nastaveného režimu. Po původní praxi měrných režimů A-E jsme totiž přešli k metodě postupného nastavování poměrných tahů od 10 až do 100 %.V. další etapě došlo k pojíždění kolejového obvodu obráceně, tj. od izolovaných styků přijímacího konce . Tím byla zaručena srovnatelnost všech měření od okamžiku rozjezdu. Jiná nevýhoda ovšem znamenala zmenšení podílu proudu v kolejnicích s rostoucí vzdáleností pohybujícího se hnacího vozidla. V další fázi byl měřen elektrický motorový vlak SM 488.00, složený ze dvou motorových vozů SM 488.0 a tří nemotorových vložených vozů N 488.0 . Parametry vlaku byly dány vn = 64 km/h a In = 700 A U tohoto vlaku byl zjištěn značný vzestup úrovně harmonických kmitočtů . To souviselo zřejmě s rozdílným úhlem otevření v tyristorových můstcích a fázovým posunem začátku regulace skupin motorů u hnacích jednotek. Již v prvních výzkumných pracích ORE bylo konstatováno, že produkce sudých harmonických kmitočtů se značně zvyšuje při vzrůstajícím rozdílu úhlu otevření tyristorových můstků. V tomto směru byla sledována např. u ŐBB velikost 6. harmonické – 100 Hz, odvozená od základního kmitočtu 16 2/3 Hz, protože signální kmitočet jejich kolejových obvodů byl 100 Hz. Výsledky této expertízy jsou v tab. 2.
Tab 2 Závislost amplitudy 6. harmonické na rozdílu úhlu otevření tyristorových můstků
Existence této závislosti zhoršuje situaci všude tam, kde pracovní kmitočty jsou celistvým násobkem kmitočtu napájení trakční sítě. Jako opatření byla proto hnací vozidla vybavena automatickou kontrolou úhlu otevření a v případě překročení dovolené hodnoty byl uveden v činnost hlavní vypínač. Posunovací lokomotiva řady S 458.0 se pak vyznačovala rychlostí vn = 28 km/h a jmenovitým proudem In = 680 A. Měrné režimy posunovací lokomotivy jsou uvedeny v tabulce 3.
Tab 3 Měrné režimy posunovací lokomotivy řady S 458.0 Během let 1971 až do dnešního dne byla zkoušena celá řada lokomotiv obou trakčních proudových soustav a také jídelní a lůžkové vozy. Nebudu zde samozřejmě uvádět seznam měřených lokomotiv, pouze bych se zmínil některých významnějších , jako např. Elektrická jednotka ř.560 Pars Šumperk, Asynchronní lokomotiva 90E, Dieselelektrická lokomotiva ř. ŐBB, Předměstská jednotka ř. 471-971-071 Vagonka ČKD – Škoda DT, Lokomotiva SIEMENS ř.S 252 , Čtyřsystémová lokomotiva DR ř.189 SIEMENS a v neposlední řadě ř.680 ČD PENDOLINO. Na rozdíl od jiných železničních správ byla u nás praktikována úzká spolupráce s výrobci lokomotiv, především Škoda Plzeň a ČKD Praha, takže docházelo k diskuzím a průběžným zkouškám již při vývoji nových prototypů hnacích vozidel. Proto nebylo nutno řešit problémy rušení následně, ale mnohé úpravy byly realizovány postupně během vývoje. Spolupráce se vyplatila zejména při návrhu hnacích vozidel s pulsními měniči ve stejnosměrné trakční proudové soustavě.
b) Stejnosměrná trakční proudová soustava 3 kV V podmínkách ČSD bylo zkoušeno řízení pulsního měniče dvojím způsobem: a) proměnným kmitočtem
b) několika pevnými kmitočty v kombinaci s pulsně šířkovou modulací U prvního způsobu se objevuje ve zpětném trakčním proudu kmitočet 0 – 300 Hz, takže je plynule zasaženo pásmo, ve kterém pracují kolejové obvody. Napětí na přijímacím konci kolejového obvodu pak záleží čistě na kvalitě filtrace. Takové řešení je ovšem pro zabezpečovací techniku nedostatečné a nepřijatelné.. Tento systém byl použit a vyzkoušen na lokomotivě 48 EO – 02. Druhý způsob se zaměřuje na řízení určitými pevnými kmitočty, které ani svými harmonickými násobky nezasahují do pracovních pásem kolejových obvodů i při respektování jejich povolených kmitočtových tolerancí, včetně poruchových stavů na lokomotivě i na trati. U ČSD byly využity zkušenosti francouzských drah SNCF, které použily třetinové dělení základního kmitočtu: f 1 = 300 Hz f 2 = 100 Hz f 3 = 33,33 Hz f 4 = 11,11 Hz Tato zkušenost byla uplatněna v síti ČSD již při vývoji elektrické posunové lokomotivy řady E 457.0. Změna byla provedena pouze u posledního z řídících kmitočtů, kde při respektování trakčních vlastností vozidla došlo ke změně na poloviční hodnotu místo třetinové, takže poslední kmitočet byl upraven na f 4 = 16 2/3 Hz. Vzhledem k možnosti ovlivnění kolejových obvodů třetí harmonickou 3 f 4 bylo nakonec upuštěno od kmitočtu f 4 vůbec a konečná tabulka se omezila na 3 řídící kmitočty f 1= 300 Hz f 2= 100 Hz f 3 = 33 1/3 Hz
4 Metodika měření Jak již bylo řečeno, v první fázi .byly proudové i napěťové záznamy prováděny smyčkovým oscilografem RFT typu 12 LS-1. Použity byly smyčky 4000Hz a záznamy byly pořízeny na registrační samovyvolávací papír. Z těch pak byla provedena analýza pomocí komplexu kalkulátoru Hewlett-Packard ve spojení s převaděčem na vstupní hodnoty kalkulátoru (Digitizér). Použita byla nejvyšší rychlost posuvu(4,5 m/s) takže délka periody pro základní kmitočet 50 Hz byla 90 mm. Tato délka byla rozdělena na 150 bodů dle rozlišovací schopnosti snímače grafických hodnot a hodnoty harmonických kmitočtů se snímaly do 40- ti násobku základního kmitočtu. Při možnosti aplikace novější snímací a vyhodnocovací techniky bylo zavedeno kontinuální snímání proudových hodnot přímo na lokomotivě, tak aby během jízdy bylo umožněno respektovat celé nebo většinu spektra trakčních parametrů lokomotivy. Po stanovení normativní hodnoty v proudové formě se upustilo od pořizování napěťových hodnot na přijímacím konci kolejového obvodu. Postupně se přešlo na záznamovou techniku pomocí snímače LEM flex RR 300- SD/24 a měřicího magnetofonu typu TEAC MR- 30 .
Ve vyhodnocovacím řetězci pak byl použit nejprve selektivní voltmetr Brüel a Kjaer, později Analyzátor HP 3581 C a Plotter HP 7035 B. Magnetofonové záznamy byly však při rostoucí náročnosti pro posuzování lokomotiv také nedostatečné a proto byl do měřicího řetězce zařazen v poslední době počítač Jako poslední byla realizována Waveletova analýza v programu Matlab ve spolupráci akreditované laboratoře pod vedením Ing. Pešky se západočeskou univerzitou Plzeň, katedrou aplikované elektroniky v osobě Ing. Hlouška PhD. V začátcích bylo hodnocení lokomotiv v kompetenci oddělení zabezpečovací techniky VÚŽ v Praze, později, vznikla akreditovaná laboratoř v Plzni Sulkově, kterou vedl Doc. Ing. Konečný CSc a Ing. Peška. Ing. Peška v této činnosti pokračuje doposud.
5 Mezní hodnoty rušení V rámci řešené problematiky byla ve VÚŽ zpracována oborová norma ON 28 1020 o názvu „Zkoušky hnacích vozidel z hlediska rušení železničních zabezpečovacích zařízení“ Tato norma stanovuje zásady pro zjišťování ovlivnění činnosti kolejových obvodů, měřicí metody a způsob vyhodnocení. Norma platí pro hnací vozidla v oblasti obou trakčních proudových soustav a pro vozidla nezávislé trakce s elektrickým topným agregátem a pro statické měniče pro ústřední zásobování osobních vozů elektrickou energií. Tato první verze definovala dovolené hodnoty rušivých efektů v napěťové formě pro sledované kmitočty kolejových obvodů a činila 50 mV..Celé toleranční pásmo pro kolejové obvody 75Hz a 275 Hz je na obr 4.
Obr 4a Pásma dovolených hodnot pro kolejové obvody 75 Hz
Obr 4b Pásma dovolených hodnot pro kolejové obvody 275 Hz
V době, kdy se přešlo na kontinuální proudové vyhodnocování byla pak přepočtem určena hodnota 100mA za stejných podmínek kmitočtové tolerance.
6 Závěr Kromě hnacích vozidel obou trakčních proudových soustav a statických měničů jídelních a lůžkových vozů a topných agregátů se prováděla i další měření, např. měničů pro ohřev výhybek nebo kuriozní měření vlivu radiového vysílače v Liblicích u Č. Brodu po rekonstrukci, kdy jeho výkon byl zvýšen z 300 kW na 1,5 MW. Byla sledována teoretická možnost ovlivnění, jestliže kolejový obvod by převzal funkci antény při dosažení délky násobku čtvrtiny délky nosné vlny vysílače a okamžitá modulační frekvence by souhlasila s pracovním kmitočtem kolejového obvodu.
Závěrem je třeba zdůraznit, že v našich podmínkách nedošlo u zkoušených lokomotiv k žádné nehodě po zavedení do provozu . Osvědčila se spolupráce s českými firmami ( např. ŠKODA Plzeň, ČKD Praha, VAGONKA Studénka) zahraničními lokomotivkami ( např. SIEMENS), kdy byly vznikající problémy během vývoje již postupně odstraňovány. Problémy se objevily až při zkouškách PENDOLINA s firmou ALSTOM, kterých jsem se účastnil již jen jako pozorovatel.
Použitá literatura [1] Stoll, K., Bečka, J., Nádvorník B: Vlivy tyristorové regulace hnacích vozidel na železniční zabezpečovací zařízení, NADAS, Praha ,1984 [2] Oborová norma 28 1020 „Zkoušky hnacích vozidel z hlediska rušení železničních zabezpečovacích zařízení , ÚNM, Praha ,1983 [3] Chudáček, V., Peška, K., Stoll, K. : Mezní hodnoty rušivých proudů na kolejové obvody, Závěrečná zpráva k úkolu ČD, Praha, 1997
Několik ilustrativních obrázků z historie měření EMC ve VÚŽ Praha
Počátky měření EMC pracovníky VÚŽ Praha – železniční trať u Zábřehu na Mor. r.1962
Měření EMC jednotky ř.680 na ŽZO Velim v r.2004.
Snímač (sonda) topného proudu.
Pohled na měřící pracoviště EMC na ŽZO Velim.
