Informace VÚŽ ZL7 Měření elektromagnetické kompatibility drážních vozidel

Informace VÚŽ ZL7 Měření elektromagnetické kompatibility drážních vozidel

1. Úvodem: Oblast sdělovací a zabezpečovací techniky Výzkumného ústavu železničního Praha (VÚŽ) se od počátku 60. tých let minulého století, kdy u bývalých ČSD byly do provozu zaváděny vozidla elektrické a dieselelektrické trakce s generátory centrálního napájení vlaku, zabývá rovněž problematikou měření rušivých emisí drážních vozidel. Po formálním zřízení Zkušební laboratoře ZL7, která je dílčí částí Zkušební laboratoře Výzkumného ústavu železničního Praha(ZL VÚŽ) se tato činnost stala částí její pracovní náplně. Od poloviny šedesátých let 20.století jsou systematicky zkoušena všechna hnací vozidla včetně vozidel speciálních (pracovní stroje) a vozidel drah speciálních – metra. Od počátku 90tých let jsou pak systematicky prověřována všechna tažená vozidla napájená z vedení centrálního zásobování vlaku. Díky vhodné infrastruktuře jsou předměty zkoušek pohybující se po dráze normálního rozchodu zkoušeny od počátku samostatně a v referenčních podmínkách. Zájmovou oblastí z pohledu ZL7 jsou emise předmětu zkoušky směrem ke vnějším sdělovacím a zabezpečovacím zařízením. Zkoušky se netýkají ovlivnění napájecí soustavy a odolností.. Tyto zkoušky patří do působnosti jiných částí ZL VÚŽ. 2. Obor zkoušení ZL7 zkouší a pro potřeby DÚ České republiky i hodnotí drážní vozidla v těchto oborech: ♦ ♦ ♦

Kompatibilita s drážním zabezpečovacím zařízením Kompatibilita s metalickými telekomunikačním vedením Vyzařovaná rušivá pole

Vyjmenované zkoušky popisuje část 6 EN 50121-3-1. Zkoušek se užívá i k hodnocení předmětů zkoušek, které nejsou drážními vozidly, avšak svou povahou a chováním mohou ohrozit železniční infrastrukturu. Tyto předměty jsou zpravidla měřeny na místě jejich instalace. Jedná se např. o statické měniče napájené z trakční soustavy a užívající koleje jako zpětné vodiče proudu. Ke zkouškám kompatibility s drážním zabezpečovacím zařízením a telekomunikačními vedeními je ZL7 akreditována ČIA pod identifikačním číslem 1099. O měření vyzařovaných rušivých polí podrobněji viz část 4.3. ČIA – Český institut pro akreditaci je národním akreditačním orgánem České republiky (ČR). Na základě kladných výsledků mezinárodních auditů (evaluace) je ČIA v současné době signatářem následujících dohod o vzájemném uznávání výsledků akreditace: MLA EA, MLA IAF, MRA ILAC ( viz www.cai.cz). 3. Obor hodnocení Předměty zkoušek se hodnotí ve všech dosažitelných pracovních i mimořádných (nouzových) režimech po celé ploše pracovní charakteristiky definovaných závaznou technickou dokumentací, která je ke zkoušce vyžadována. Ideální trakční diagram (viz obr. 1) hnacích vozidel závislé trakce je zpravidla prověřován po pomyslných ekvidistantních křivkách zadaného konstantního relativního tahu od nulové rychlosti po rychlost maximální s uvážením omezení na straně předmětu zkoušky i na straně okolí předmětu zkoušky (např. maximální traťovou rychlostí, aktuálními adhezními poměry, jízdními odpory, úbytky na trakčním vedení apod.). K udržení zrychlení/zpomalení v optimálních hodnotách bývá při měření hnacích vozidel vyžadována pomocná zátěž. Na žádost zákazníka ji laboratoř za úplatu zapůjčí. Vzdálenost jednotlivých měřených průběhů se volí dle charakteru předmětu zkoušky, u hnacích vozidel zpravidla do velikosti 10% maximální hodnoty relativního tahu. V případě detekce anomálií při vyhodnocení se organizují následná měření k jejich analýze.

1/7

Frelmax 100% 90% Pmax

80%

20% 10%

Vmax

obr. 1.:Idealizovaný trakční diagram hnacího vozidla Hnací vozidla nezávislé trakce vybavená generátory centrálního zásobování vlaku elektrickou energií jsou měřena obdobně jako vozidla elektrické trakce s odlišně umístěnými snímači měřených veličin. K zatěžování generátoru se užívá starších osobních vozů vybavených elektrickým topením bez jiných centrálně napájených zařízení. Na žádost zákazníka laboratoř zprostředkuje za úplatu zápůjčku vhodných vozů ke zkoušce.U vozidel nezávislé trakce neužívající koleje jako vodič zpětného proudu se provádí pouze zkouška vyzařovaní rušivých polí. U tažených vozidel napájených z ústřední napájecí sběrnice vlaku se postupuje stejně jako při měření hnacích vozidel nezávislé trakce vybavených napájecím generátorem.Chování je ve zkoumané oblasti nezávislé na pohybu vozidla, zkouška se provádí za stání. Elektrická energie s parametry vlakového napájení je k vozu vedena trolejovým vedením a prostřednictvím pomocného měřicího vozu se standardní topnou spojkou přivedena na měřený vůz. Ten se měří ve všech dosažitelných pracovních stavech definovaných technickou dokumentací. 4. Zkoušky 4.1. Kompatibilita s drážním zabezpečovacím zařízením Způsob měření vychází ze způsobu detekce vozidel kolejovými obvody (dále KO). Během zkoušky je zaznamenáván obraz zpětného trakčního proudu vozidla dle obr. 2 snímaný proudovou sondou. Neníli z technických důvodů možné snímač umístit do naznačeného místa, užívá se místo A. Ke snímání obrazu střídavé složky se užívá převodníků typu Rogowského potenciometr (cívka). Obraz proudu je zaznamenáván buď analogově měřicím magnetofonem, nebo v číslicové formě s rozlišením 16 bit a vzorkovacím kmitočtem vyšším jak 20 kHz. Součástí záznamu je vždy záznam rušivého pozadí (klidový stav) a záznam injektáže signálu specifikovaného předposledním odstavcem přílohy B EN 50238.

2/7

A M measuring equipment

obr. 2.:Měření hnacích vozidel závislé trakce Záznam proudu je off line vícenásobně vyhodnocován na přítomnost jednotlivých kmitočtových složek rušivých proudů v časové oblasti. Hodnocení v kmitočtové oblasti se používá pouze pro přehled a vyhledání kritických míst pracovní charakteristiky. K hodnocení se užívá analyzátoru s tolerančním schématem útlumové charakteristiky dle obr.2, kde ∆f=3Hz. Na přání zákazníka nebo v bezproblémových částech pracovní charakteristiky se užívá pásma širšího(10 Hz). Narrow Band Pass Filtr

-60dB

-1dB fo ∆f 10 ∆f

obr. 3.:Toleranční schéma pásmové propusti Střední kmitočet fo se volí dle požadavků závazných českých technických norem, viz 5.1 Referenční tratí pro tuto zkoušku je Velký okruh Železničního zkušebního okruhu v Cerhenicích (V-ŽZO), pro stacionární část zkoušky pak km 11,78 V-ŽZO. Zkouška se provádí v režimu výhradního napájení v rámci zkoušky předmětu zkoušky v rámci celého ŽZO až po vn přenosové vedené 110 kV elektrizační soustavy ČR. 4.2. Kompatibilita s metalickými telekomunikačními vedeními ZL7 provádí měření dle části 6.2.2 EN 50121-3-1 dvěma, dále popsanými, nezávislými způsoby. Hodnocení dle 4.2.2 je závazné, měření dle 4.2.1 má informativní charakter. 4.2.1.Metoda psofometrického proudu Ve shodě se zněním posledního odstavce části 6.2.2 EN 50121-3-1 je měřena psofometricky vážená rušivá složka zpětného trakčního proudu. Měření je prováděno souběžně dle části 3.1 tohoto dokumentu s tím, že místo filtru s charakteristikou uvedenou na obr. 3 je užito psofometrického filtru s vlastnostmi definovanými doporučením ITU-T (CCITT O.41). 4.2.2.

Metoda indukovaného rušivého psofometrického napětí do referenčního vedení

ZL7 užívá k hodnocení projevů předmětu zkoušky metody měření indukovaného rušivého psofometrického napětí na referenčním přizpůsobeném měrném vedení uloženém souběžně se zkušební tratí v přesné geometrické poloze. Referenční kabelové vedení je používáno výhradně pro tento účel. K měření se užívá prvního páru páté DM čtyřky kabelu ŽDK30 (41,2/4,4 + 5XN0,6 + 10XV1,2 + 28DM0,9 olověný plášť, ocelový pancíř) jako vedení

3/7

obr. 4.: Měrné sdělovací vedení

4/7

1200

A

overhead contat line

Direction

Object under Test

measuring

10000

Track/Cable Transversal Profile

M

Zo

X1a

A

X2a

3

VZZO km 10,756

ZDK30 (4 1,2/4,4+ 5 XN0,6 + 10 XV1,2 + 28 DM0,9)

2

Reference Telecommunications Line V-ZZO Cerhenice

X2b

X1b

1

VZZO km 11,672

B

Zo

VZZO km 13,120 (13,140)

typických vlastností (typické kapacitní nerovnováhy). Uspořádání vedení a trati viz obr. č. 4. Měření rušivého napětí se provádí buď za stání předmětu zkoušky v bodě A dle obr. 4, nebo při jeho rozjezdu z bodu A směrem proti kilometráži a následnou jízdou v úseku trati 10,756 km do 10.0 km. Pracovní body předmětu zkoušky se volí shodně s měřením dle části 3.1 tohoto dokumentu. Plášť a ochranný obal měrného vedení/kabelu se účinně spojuje se zemí dle ustanovení ČSN 03 8371 (DC izolováno, AC propojeno). 4.3. Vyzařovaná rušivá pole Měření se provádí dle části 6.3 a přílohy B EN 50121-3-1 na V-ŽZO km 10,78. Hnaná vozidla se měří rovněž na 5. staniční koleji ŽZO Cerhenice. Vlastní měření provádí Laboratoř elektromagnetické kompatibility Zkušební laboratoře Technického a zkušebního ústavu telekomunikací a pošt Praha (dále TESTCOM) akreditované ČIA pod č.1063 k uvedené zkoušce. Hodnocení měření pro potřeby DÚ provádí VÚŽ. 5. Národně specifické informace Dále uváděné meze platí pro potřeby hodnocení předmětů zkoušek a jejich připuštění do provozu na území ČR. 5.1. Rušivé proudy - meze Chráněná kmitočtová a mezní hodnoty rušivých vlivů ohrožujících zabezpečovací zařízení jsou primárně určeny částí 2.4 ČSN 342600 ve formě napěťových limitů. Dodržení takto stanovených limitů však vyžaduje detailní znalost kolejových obvodů, což je pro praktické použití nevhodné. Podřízená normou ČSN 342613 uvádí proudové limity. Norma přiřazuje přípustným limitům časové hodnoty. Obě normy jsou z hlediska platného právního řádu normami závaznými. Důrazně se doporučuje všem zadavatelům zkoušek se pečlivě seznámit se zněním části 5.4 „Požadavky na konstrukci a provoz kolejových vozidel“ normy ČSN 34 2613. Splnění ustanovení normy je podmínkou nutnou k připouštění do provozu! Obě normy vyjmenovávají řadu chráněných pásem. Hodnocenými pásmy jsou pro DC trakční systém 3 kV pásma se jmenovitým středním kmitočtem: 50 Hz, 75 Hz a 275 Hz, pro trakční systém 25 kV/50Hz pásma 25 Hz, 75 Hz a 275 Hz. Ostatní trakční systémy se na území ČR s výjimkou dvou regionálních tratí (DC 1,5 kV) neprovozují a nehodnotí. Všeobecně platí tyto skutečnosti: KO 275Hz se používají pro zabezpečení stanic, KO 75 Hz jsou obvody hromadného užití na širých tratích, KO 50 Hz se používají na starších tratích s DC trakčním systémem a na neelektrifikovaných tratích. Již cca 25 let se nově nebudují, jsou nahrazovány KO75, provozují se zejména v severní části republiky po ose dopravního tahu Děčín, Praha, Česká Třebová, Olomouc, Ostrava. Pro informace uvádíme významné přechodové stanice: Klášterec nad Ohří, Beroun, Kutná Hora, Svitavy, Nedakonice. KO 25Hz se užívají pouze ojediněle v systému 25 kV/50Hz, někdy jako jednopásové. Hranice trakčních soustav se nalézají i mimo stanice na širých tratích v blízkosti jmenovaných stanic, vždy je vložen neutrální úsek délky řádově 100m sjízdný traťovou rychlostí většinou s povinností stáhnout sběrač. 5.2. Rušivá psofometrická napětí - meze S použitím doporučení CCITT G 123 aplikovaným dle DIN VDE 0228 na měrné vedení dle obr. 4 je stanoven přípustný limit indukovaných rušivých napětí na 20 µV/km.

5/7

5.3. Vyzařované elektromagnetické pole - meze Meze stanoveny částí 6.3.3 EN 50121-3-1. 5.4. Ostatní důležité informace (a)

Elektrizované tratě na území ČR jsou charakteristické vysokým počtem neutrálních sekcí (ve vzdálenosti jednotek km). Nalézají se i na kolejových spojkách mezi různými kolejemi téže trati.

(b)

V AC systému 25 kV/50Hz není povolena rekuperace do troleje (pouze do odporníků).

(c)

U DC trakčního systému se užívá oboustranné napájení, u AC pouze jednostranné.

6. Infrastruktura ŽZO Cerhenice Dále uvedené údaje jsou neúplné a účelově orientované. Upřesnění údajů a neuváděné parametry na dotaz. 6.1. Trakční systémy Trakční systém

DC 3 kV

AC 25 kV/50 Hz

AC 15 kV/16 Hz

Rozsah napětí [kV] Jmenovitý výkon při jmenovitém napětí Maximální jmenovitý trvalý proud [A]

0-4

17 - 32

2 - 17

4.5 MW

11 MVA

10 MVA

1600

400

600

Regulace napětí se provádí po skocích menších jak 200V. Ve všech systémech je účinně uzemněn střední vodič. Pro napájení DC se užívá systému s trakčním transformátorem a dvanáctipulsním usměrňovačem. Podíl 50 Hz složky měřené dle části 4.1 na napájecí stanici při odběru 1000A do odporové zátěže je menší jak 25 mA. Principiálně je možná souběžná činnost všech tří napájecích systémů, start synchronního generátoru pro systém 15 kV/16Hz však vyžaduje použití části systému vyhrazeného DC trakčnímu systému. Během startu generátoru je DC systém nedostupný, za chodu ano. Ve zvláštním režimu po modifikaci vnitřních obvodů napájecích stanic lze na trolej přivést napětí všech tří systému o velikosti 0 až 4 kV s výkonem omezeným maximálním proudem k přímému napájení předmětů zkoušek napájených z centrálního vlakového napájení. Regulace napětí se děje po skocích menších jak 100V. Charakteristické časy pro manipulace na napájecím zařízení: Změna velikosti napětí v rámci soustavy Změna standardního trakčního systému bez startu synchronního generátoru Start synchronního generátoru 16Hz Změna trakčního systému pro napájení vlakové sběrnice

1 min 30 min 60 min 45 min

Uvedené časy s výjimkou startu platí v pohotovostním (standby) režimu synchronního generátoru. 6.2. Trolejové vedení Trolejové vedení lze rozdělit do tří sekcí: • • •

Velký zkušební okruh (V-ŽZO) Malý zkušební okruh (M-ŽZO) Staniční koleje

Pro zkoušky EMC se užívá velkého zkušebního okruhu a pro předměty zkoušek umožňující svou povahou stacionární zkoušky 5. staniční koleje.

6/7

Charakteristiky trolejového vedení V-ŽZO: Maximální trvalý proud 2200 A Odpor trolejového vedení 0,11 Ω/km Impedance trolejového vedení 0,349 Ω/km Kapacita trolejového vedení 21 nF/km Vedení je možno napájet jednostranně/ oboustranně 6.3. Velký zkušební okruh Jmenovitý rozchod 1435 mm Délka trati 13276 m Maximální rychlost 160km/h Maximální tlak na nápravu 22 t V-ŽZO je v km 11,672 vybaven překlenutelným izolovaným stykem. 6.4. Přípojná železniční stanice Pokud není výslovně stanoveno jinak, předměty zkoušek se dopravují na náklady a riziko objednatele do/z železniční stanice Velim, trať 010 ČD. Odsud jsou v rámci poskytovaných služeb dopraveny péčí VÚŽ na ŽZO. Přistavení předmětu zkoušky Předměty zkoušek, není-li ujednáno jinak, se přistavují nejpozději v pracovní den předcházejícím dnu provedení zkoušky do žst. Velim do 12:00 hod. Návrat předmětu zkoušky Odjezd obsluhujícího manipulačního vlaku z Velimi denně po 16:00 hod. (grafikon podzim 2003). Výprava uvedeným vlakem předpokládá ukončení zkoušky do 14:00 hod. 7. Související literatura Odkazy na nedatované dokumenty odkazují na aktuálně platná znění. ČSN 03 8371 Protikorozní ochrana v zemi uložených sdělovacích kabelů s olověnými hliníkovými a ocelovými obaly, Česká technická norma, Ceský normalizační institut, Praha ČSN EN 50121-3-1 Drážní zařízení – Elektromagnetická kompatibilita- Část 3-1: Drážní vozidla – Vlak a celkové vozidlo, Česká technická norma, Český normalizační institut, Praha ČSN 34 2600 Elektrická železniční zabezpečovací zařízení, Česká technická norma, Ceský normalizační institut, Praha ČSN 34 2613.Železniční zabezpečovací zařízení – Kolejové obvody a vnější podmínky pro jejich činnost, Česká technická norma, Ceský normalizační institut, Praha DIN VDE 0228 Maßnahmen bei Beeinflussung von Fernmeldeanlagen durch Starkstromanlagen, Teil 1, Allgemeine Grundlagen, Deutsche Elektrotechnische Kommission im DIN und VDE, prosinec 1987. CCITT G 123 Recommendation Circuit noise in national networks, CCITT Red Book, Vol. III.1, Rec. G.123, ITU, Geneva 1985. CCITT O 41 Psofometer for use Union, October 1994

on telephone - type circuits, International Telecommunication

8. Kontakt www.cdvuz.cz [email protected]

7/7