SALTEK VLD-K egyenáramú (DC) Vasutakon
Cikk szerzője: Jiri Vykydal, termékmenedzser, SALTEK
A kóboráram kialakulásának okai és káros hatásai
Az elektromos vasutaknál a sínek nemcsak a járművek futását biztosítják, hanem nagyteljesítményű elektromos vezetőként is működnek. Feladatuk, hogy a vonatszerelvényből származó visszatérő áramot az áramellátó alállomások felé vezessék vissza.
A sínek még masszív kialakításuk ellenére is korlátozott elektromos vezetőképességgel rendelkeznek. Ez azt jelenti, hogy meghatározott elektromos ellenállásuk és induktanciájuk van. A síneket nem lehet tökéletesen elszigetelni a földtől. A vágányszigetelés véges impedanciáján keresztül már önmagában is jelentkezik áramveszteség, ez a veszteség különösen megnövekedhet szennyezett kiegyenlítő ballasztban, vasúti átkelőhelyeken és egyéb kritikus pontokon.
Ennek következtében a visszatérő áram egy része elszivárog a sínekről a környezetbe, ezt a jelenséget kóboráramnak nevezzük. A kóboráram a legkisebb ellenállású áramutakat követi, amelyek jellemzően a sínekkel párhuzamosan futnak. Így az áram a sínpálya környezetében lévő talajon, illetve különösen a közeli áramvezető műtárgyakon keresztül jut vissza a vontatási áramellátó alállomásokhoz. A folyamat az Ohm és Kirchhoff törvényekben megfogalmazott alapelvek szerint zajlik.
A vasút mentén számos vezetőképes műtárgy található. Ezek közé tartoznak a többnyire acélszerkezetű elemek, a vasbeton műtárgyakba beágyazott acél vasalások – például hidak és alagutak –, valamint a különböző csővezetékek. Ide sorolhatók továbbá a vasúti jelző és biztosítóberendezések fémkábelei, valamint a telekommunikációs kábelek is.
A váltóáram ezekre a műtárgyakra általában nem jelent komoly kockázatot. Az egyenáram hatása azonban hosszú távon lényegesen veszélyesebb. A jelenség elve hasonlít a galvanizálás során lejátszódó elektrokémiai folyamatokhoz. Ilyenkor az anódként működő anyagból az egyenáram hatására fémionok válnak le, és a katód felületén rakódnak le, miközben az anód tömege csökken.
Hasonló módon a kóbor egyenáram is korróziót idéz elő. Ez azokon az anódfelületeken jelentkezik, ahol a kóboráram elhagyja a sínpályával párhuzamosan futó acélszerkezetet. Ennek következtében az érintett pontokon fémes anyagvesztés lép fel. Már egészen kis áramértékek hosszú távú hatása is jelentős anyagveszteséget okozhat, ami az érintett szerkezetek fokozatos romlásához vezet.
Az anyagveszteség mértéke a Faraday féle törvény segítségével becsülhető. Vegyünk példaként egy 1000 A nagyságú átlagos vontatási áramerősséget. Ha ennek mindössze 0,1%-a kóboráramként jelenik meg, az már 1 A áramot jelent. Egyetlen év alatt ez a mennyiség akár 9 kg vas, vagy ennek hozzávetőlegesen kétszeresének megfelelő réz elszállítására is elegendő lehet. Mivel a gyakorlatban a kóboráram ennél lényegesen nagyobb értékeket is elérhet, a hozzá kapcsolódó kockázatok kiemelt jelentőségűek.
Vasbeton szerkezetű műtárgyak esetében a korrózió különösen súlyos következményekkel jár. A korrodáló acél vasalás térfogata megnövekszik, ami belső feszültségeket hoz létre. A keletkező nyomás a vasbeton elemek megrepedéséhez vezethet. Ennek eredményeként a szerkezet stabilitása, szilárdsága és teherbíró képessége csökken.
Kedvezőbb esetben ez azt jelenti, hogy az érintett infrastruktúra elemeket rendszeresen ellenőrizni és javítani kell. Ezek az intézkedések jelentős üzemeltetési (OPEX) és beruházási (CAPEX) költségekkel járnak. Súlyosabb esetekben azonban akár életveszélyes helyzetek is kialakulhatnak, amelyek jelentős anyagi károkat vagy emberi áldozatokat is követelhetnek.
ábra 1: egyenáramú kóboráram és az acélszerkezetre gyakorolt káros hatása a sínek földelése vagy nem megfelelő szigetelése eredményeképpen alakul ki.
Elsődlegesen fontos a személyek és az állatok biztonsága
Világszerte az egyenáramú (DC) villamos vasúti rendszerek – így a villamosok, metrók és egyéb DC vasutak – többsége szigetelt visszatérő áramkört alkalmaz. Ebben a rendszerben a visszatérő áram vezetésére maguk a sínek szolgálnak.
ábra 2: Szigetelt egyenáramú (DC) vasúti vontatás egyszerűsített modellje
A 2. ábra ennek az elrendezésnek egy egyszerűsített sematikus rajzát mutatja. Az R jelölés a sín és az azt körülvevő talaj közötti szigetelés minőségét fejezi ki. Az RGS az áramellátó alállomás földelésének minőségét jelenti. Az ROCL + LOCL + Σ(RR + LR) soros kapcsolás a teljes villamos vontatási áramkör váltakozó áramú ellenállását (impedanciáját) írja le az adott vágányszakaszon, beleértve a felsővezetéket és a síneket. A mozdony váltakozó áramú ellenállása (RL + LL) általában elhanyagolható mértékű.
Ennek a műszaki megoldásnak az elsődleges célja a kóboráram elszivárgásának minél nagyobb mértékű korlátozása. A sínpálya környezetében ugyanis gyakran találhatók különféle fémszerkezetek – különösen városi környezetben –, amelyek hosszú távon már viszonylag kis mennyiségű egyenáramú kóboráram hatására is súlyosan károsodhatnak.
A nagy R szigetelési ellenállás eléréséhez a vágány felszerkezetét megfelelő minőségben kell kialakítani és kivitelezni. Legalább ilyen fontos a gondos karbantartás is. A ballaszt elszennyeződése, valamint a szigetelt rögzítőelemek károsodása idővel jelentősen ronthatja az R váltakozó áramú ellenállás értékét. Ez a kóboráram növekedéséhez, és ezzel együtt fokozott korróziós kockázathoz vezet.
A szigetelt sínes kialakításnak azonban komoly hátrányai is vannak. A földeletlen visszatérő vezetőként működő sínekben a visszatérő áram hatására feszültségesés alakul ki, amelyet a visszatérő vezető impedanciája, azaz a Σ(RR + LR) érték okoz. Bizonyos üzemállapotokban a sínek és a föld közötti feszültség – a szigetelés ellenére – meglepően magas értékeket érhet el. Ez akár életveszélyes is lehet a vasút közelében tartózkodó élőlények, például az utasok, vasúti dolgozók, haszonállatok vagy vadállatok számára.
Veszélyes feszültségértékek különösen akkor alakulhatnak ki, ha két alállomás között hosszú vasútszakasz található. További kockázatot jelenthet, ha ugyanazon tápszakaszon nagy számú vonatszerelvény közlekedik, vagy ha rekuperációs fékezést alkalmazó járművek üzemelnek. A lassan működő alállomási szakaszolók szintén hozzájárulhatnak a veszélyes állapotok kialakulásához. Egyes esetekben problémát okozhat az is, ha a szakaszolók nem képesek megfelelően megkülönböztetni a zárlati áramot a normál üzemi áramtól. Ez különösen igaz az alállomásoktól nagyobb távolságban bekövetkező rövidzárlatok esetében, például ha a munkavezeték a sínre zuhan, vagy ha zárlat keletkezik a járművön. Ilyenkor a teljes impedanciakör miatt a zárlati áram értéke az üzemi áram tartományában maradhat, és nem éri el a védelmi berendezések kioldási küszöbét.
Hasonló helyzet állhat elő akkor is, ha a vontatási alállomás MEB földelőrendszerének földelési ellenállása romlik, vagy ha a munkavezeték a síneken kívül, a vasúti infrastruktúra más, földelt részeire esik. Az ilyen megnövekedett impedancia miatt a zárlati áram értéke a szakaszolók kioldási értéke alá csökkenhet.
A fenti példákból látható, hogy veszélyes érintési feszültség nemcsak meghibásodások során, hanem normál üzemi körülmények között is kialakulhat a vasúti pálya mentén. Az ilyen kockázatok kezelésére szolgálnak a feszültségkorlátozó berendezések (VLD).
Az EN 50122 1 szabvány rögzíti a földelés ellenében megengedett legnagyobb feszültségértékeket az idő függvényében. Ezek az értékek a sínpálya környezetében elhelyezett földelt, elektromosan vezető műtárgyakra vonatkoznak. A vasút üzemeltetője köteles biztosítani, hogy ezek a határértékek a sínpálya egyetlen pontján se lépjenek túl. A gyakorlatban a legáltalánosabban alkalmazott határérték 120 V DC, míg vasúti műhelyekben 60 V DC. Egyes nemzeti előírások ennél alacsonyabb értékeket is meghatározhatnak.
A nem kívánt csúcsfeszültségek előfordulása előre nehezen becsülhető, különösen a modern vasúti rendszerek esetében. A jelenséget számos tényező befolyásolja, például a felsővezeték és a visszatérő áramkör impedanciája, a vonatok teljesítményfelvétele, azok száma és elhelyezkedése, a rekuperációs fékezés alkalmazása, valamint az IGBT alapú DC/AC invertereket használó korszerű járművek jelenléte.
A határértékek túllépése többféle módon megelőzhető. Ilyen megoldás lehet a vontatási tápszakaszok hosszának csökkentése, vagyis az alállomások számának növelése, amellyel csökkenthető a teljes soros impedancia. További lehetőség az áramkör soros impedanciájának mérséklése, például a sínek vezetőképességének növelésével vagy párhuzamos segéd-visszatérő vezetők alkalmazásával. Ezek az intézkedések azonban általában jelentős beruházási költségekkel és egyéb műszaki nehézségekkel járnak.
Ilyen esetekben a feszültségkorlátozó berendezések hatékony és gazdaságos megoldást kínálnak a kockázatok csökkentésére. A különböző megoldások megfelelő egyensúlyával funkcionálisan megbízható és biztonságos vontatási rendszer alakítható ki, miközben az üzemeltetési (OPEX) és beruházási (CAPEX) költségek is optimalizálhatók.
Saltek feszültségkorlátozó berendezések alkalmazása egyenárammal (DC) működő vasútvonalakon
A feszültségkorlátozó berendezéseket (VLD, OVPD, RPCD stb.) a villamos vasútvonalak kiemelten fontos pontjain alkalmazzák. Ezeket az eszközöket úgy tervezik, hogy két, egymással részben ellentétes követelménynek is megfeleljenek.
Egyrészt biztosítaniuk kell a személyek, az állatok, valamint sok esetben a kritikus technológiai berendezések védelmét. Ezt a szigetelt sín és annak környezete között fellépő veszélyes túlfeszültségek elleni védelemmel érik el. Ennek érdekében a berendezések szükség esetén ideiglenesen összekötik a síneket a földeléssel, illetve a földelt, vezetőképes műtárgyakkal.
Másrészt ennek az ideiglenes földelésnek az időtartamát a lehető legkisebb értékre kell korlátozni. A cél az, hogy minimálisra csökkenjen az az időszak, amely alatt a kóboráramok átfolyhatnak a vezetőképes áramútakon, ezáltal mérséklődjenek a kóboráramok káros hatásai is.
Az EN 50526 2 szabvány a feszültségkorlátozó berendezéseket kialakításuk alapján négy osztályba sorolja, és egyben meghatározza működésük alapvető követelményeit és jellemzőit. Az EN 50122 1 és az EN 50526 3 szabványok a VLD ket funkciójuk szerint különítik el (VLD F és VLD O típusok), valamint rögzítik azok alkalmazásának módját.
A SALTEK három különböző VLD sorozatot kínál, amelyek lefedik az összes olyan üzemi és hibás állapotot, ahol feszültségkorlátozó berendezés alkalmazása indokolt lehet. A 3. ábra a leggyakrabban előforduló meghibásodási eseteket szemlélteti.
ábra 3: Egyenáramú vasútvonal vontatási áramkörén felmerülő meghibásodások tipikus esetei.
1.
Ebben az esetben rövidzárlat alakul ki a villamos alállomás munkavezeték felé irányuló kimenete és maga az alállomás szerkezete között. Ilyen helyzet például akkor áll elő, ha a tápvezeték a környezetében lévő földre zuhan. A rövidzárlat során veszélyes feszültség jelenik meg az alállomás elektromosan vezető részein, miközben a környezetében veszélyes lépésfeszültség is kialakul.
A megfelelően elhelyezett és méretezett VLDS berendezés ilyenkor alacsony impedanciájú áramutat biztosít a rövidzárlati áram számára. Ez lehetővé teszi, hogy az alállomáson telepített szakaszoló gyorsan és megbízhatóan kioldjon. Amennyiben az áramellátó vezeték a földre esik, az alállomás földelési impedanciája (RGS) is a kör része lesz. A védelem működési elve azonban nem változik. Ebben az esetben biztosítani kell, hogy az RGS értéke ne korlátozza a rövidzárlati áramot a B jelű szakaszoló kioldási szintje alá, vagyis a MEB földelőrendszer megfelelő minősége alapvető követelmény.
2.
Ha a munkavezeték a földre, vagy a vasútvonal mentén elhelyezkedő földelt fémszerkezetekre esik – például peronok várótereire, hosszláncrendszerű felsővezeték-oszlopokra –, a meghibásodás környezetében veszélyes érintési és lépésfeszültségek alakulnak ki.
Amennyiben ezen a területen nincs VLD F berendezés telepítve, a helyzet kezelése lényegesen bonyolultabbá válik. A munkavezeték soros impedanciája, az RGS értéke és a talajellenállás együttesen jelentősen csökkentik a rövidzárlati áram nagyságát. A kialakuló áramkör impedanciáját több tényező is kedvezőtlenül befolyásolhatja, például a meghibásodás és az alállomás közötti távolság, a talaj vezetőképessége vagy az alállomási VLDS beállítása.
Az így kialakuló nagy impedancia megakadályozhatja a B jelű szakaszolók gyors működését. Ennek következményeként olyan veszélyes feszültségszintek jöhetnek létre, amelyek már az emberi életet és a vasúti pálya mentén telepített berendezéseket is veszélyeztethetik. A vasút mentén telepített és aktivált VLD F berendezések ilyenkor kiváltják az RGS és a talaj áramútjának szerepét, mivel a jó vezetőképességű síneken keresztül biztosítják a rövidzárlati áram útját. Ez garantálja a B alállomási szakaszoló gyors és megbízható működését.
3.
Amennyiben a munkavezeték közvetlenül a sínre zuhan, vagy rövidzárlat keletkezik a mozdonyban, a B jelű védelem normál üzemi módon működésbe lép. Ebben az esetben különösen fontos, hogy a vontatási áramkör teljes impedanciája, a rendszer névleges feszültsége és a szakaszolót kioldó áram közötti kapcsolat pontosan meghatározott legyen.
Probléma akkor jelentkezhet, ha a felsővezeték az alállomástól távoli ponton zuhan le. Ilyenkor a sín impedanciáján jelentkező feszültségesés miatt a sín és a föld közötti érintési feszültség a megengedett határérték fölé emelkedhet. Ebben az esetben VLD L berendezések alkalmazásával, a sínek ideiglenes földelésén keresztül kell csökkenteni a feszültségszintet. Gyakorlatilag egy párhuzamos áramút jön létre a veszélyes potenciál mérséklésére.
A VLD L megfelelő reagálási feszültségének megválasztásával és a berendezések sín menti elhelyezésével nemcsak hosszabb sínszakaszok, hanem a vasút mentén található műtárgyak védelme is biztosítható. Ugyanakkor minden esetben gondoskodni kell arról, hogy a VLD L reagálási feszültsége és a meghibásodási pont közötti szakaszon kialakuló feszültségesés összege az EN 50122 1 szabvány 9.3.2. pontjában megadott határérték alatt maradjon, figyelembe véve a B szakaszoló maximális válaszidejét.
Ha összevetjük a és eseteket, megállapítható, hogy a VLD L mindkét polaritású feszültség hatásának ki lehet téve. Ez indokolja a bipoláris VLD berendezések alkalmazását.
Korábban már szó esett arról, hogy veszélyes feszültségpotenciálok alakulhatnak ki a síneken, sőt normál üzemi körülmények mellett akár a vonatszerelvényeken is. Ennek oka elsősorban a mozdony és a villamos alállomás közötti sínimpedancián, azaz a Σ(RR + LR) értéken átfolyó visszatérő áram által okozott feszültségesés.
A 4. ábra egy olyan vonat gyorsítása során fellépő sínfeszültség időbeli alakulását mutatja be, amely alállomás nélküli vasútállomásokat hagy el. Ilyen esetekben a visszatérő áramkör impedanciája különösen meghatározó. Intenzív gyorsítás, illetve rekuperációs fékezés közben a sínen kialakuló feszültség meghaladhatja a biztonságos értéket. Ezeken a kritikus pontokon a védelmet jellemzően VLD O berendezések biztosítják, leggyakrabban állomásokon, ahol a túlzott érintési feszültség közvetlen veszélyt jelenthet az emberekre.
A pirossal jelölt időszakok a 4. ábrán azon intervallumokat mutatják, amikor a veszélyes érintési feszültséget a VLD O berendezéseknek kell kezelniük. Rekuperációs fékezést alkalmazó rendszerek esetén a bipoláris VLD berendezések használata kötelező.
ábra 4: Példa a sínpotenciál-növekedésre (Volt) a vonat gyorsulása és a rekuperációs fékezés (m / s2) közben, amelyek a VLD-O berendezés működtetése számára kijelölt hellyel rendelkező áramellátó alállomástól nagyobb távolságban keletkeznek.
Egyszerű 1. osztályba sorolt VLD (VLD-F)
Az SCG sorozat alacsony gyújtási feszültségű VLD berendezéseit alapvető védelmi célokra fejlesztették ki. Elsősorban olyan vasúti szakaszok védelmét szolgálják, ahol fennáll annak a kockázata, hogy a munkavezeték elektromosan vezető szerkezetekre vagy közvetlenül a talajra zuhan. Ugyancsak alkalmazhatók akkor, ha a munkavezeték és a felsővezeték zónában (OCLZ) elhelyezett egyéb vezetőképes műtárgy között szigetelési hiba lép fel.
Ezen túlmenően a VLD F berendezések minden olyan helyen használhatók, ahol légköri túlfeszültségek elleni védelemre van szükség. A VLD-k elektromos jellemzőit úgy hangolják, hogy a beállított gyújtási feszültség túllépésekor vezető állapotba kerüljenek. A rövid idejű, villám eredetű áramimpulzusok során a berendezés csak átmenetileg vezet, majd a túlfeszültség megszűnését követően visszatér nagy ellenállású, alapállapotába. Amint a villámáram elektromos töltése levezetődik, a VLD helyreállítja szigetelő állapotát.
Ezzel szemben, ha a munkavezetéken tartós meghibásodás történik, és ennek következtében rövidzárlati áram indul meg a rendszerben, a berendezésbe épített rövidzárlati megkerülő fix, állandó rövidzárlatot biztosít az SCG termináljai között. Ez a rövidzárlati áram az érintett alállomásokon telepített szakaszolók megfelelő működését váltja ki. Ily módon a VLD F berendezés maradéktalanul ellátja a gyártó által garantált védelmi funkcióját.
Például egy 600 V-os (névlegesen 740 V-os) villamospálya vontatási hálózatában a DC leválasztók kioldási árama tipikusan 3 kA és 4,5 kA közé esik. Az érték függ az ellátott szakasz hosszától és az adott pályarészen közlekedő villamosok számától. Az SCG sorozat szabadalmaztatott rövidre záró egységei a fenti tartomány egészében biztonságosan képesek kezelni ezeket a rövidzárlati áramokat, és megbízható leválasztást biztosítanak.
Általános cél egy olyan vontatási rendszer kialakítása, amelyben a VLD csak a valóban szükséges esetekben lép működésbe, miközben a kóboráramok áramlása a lehető legkisebb mértékre csökken. Amennyiben a munkavezeték meghibásodását követően az áramellátás nagyon rövid időn belül lekapcsolható – például gyors működésű szakaszolók alkalmazásával –, akkor alkalmazhatók a magasabb gyújtási feszültségű SCG sorozatú VLD F berendezések is.
Ezt a célt szolgálják a 250 V-os vagy 480 V-os gyújtási feszültséggel rendelkező VLD F eszközök (SCG 250 250 és SCG 250 500 típusok). Ebben a konfigurációban jelentősen csökken a visszatérő vezetőn (sínen) fellépő rövid idejű feszültségcsúcsok által kiváltott VLD aktiválások száma, és a kóboráramok mértéke is minimálisra szorul. A megfelelő gyújtási feszültség kiválasztásakor figyelembe kell venni az EN 50122 1 szabványban rögzített, időfüggő megengedett érintési feszültség értékeit, azaz a B szakaszolóra vonatkozó maximális válaszidőt.
ábra 5: A VLD-F (SALTEK SCG sorozat) és használata <750 V DC-vel ellátott villamosvasúti vontatásban.
Fontos megjegyezni, hogy az EN 50526 2 szabvány szerinti 1. osztályba tartozó, tartós rövidzárlat elvén működő VLD F berendezéseknek létezik egy lényeges hátránya. Amennyiben a rövidzárlati eszköz – például a földelőkapcsoló – kiold, az ilyen VLD tartósan alacsony impedanciájú állapotban marad. Ez akkor is így van, ha a hiba oka már megszűnt, és a normál vasúti forgalom helyreállt.
Ennek következtében az adott vasútszakasz tartósan földelt marad, így a kóboráramok számára nyitott áramút jön létre. Olyan területeken, ahol ez az épületekre vagy az infrastruktúrára veszélyt jelenthet, a VLD F berendezések állapotát rendszeresen ellenőrizni kell. Különösen igaz ez azokra a szakaszokra, ahonnan a meghibásodást eredetileg jelezték. A tartósan rövidzárlatos állapotba került VLD F eszközöket ilyenkor cserélni szükséges.
Ezért üzemeltetési szempontból gyakran előnyösebb 2. osztályba sorolt szintfeszültség korlátozó berendezések alkalmazása, például visszanyerhető VLD O + F kombinált eszközök használata. Bár ezek kezdeti beruházási költsége valamivel magasabb, az alacsonyabb üzemeltetési ráfordítások (OPEX) jellemzően rövid időn belül ellensúlyozzák ezt a többletet.
Amennyiben a VLD telepítési helyén kommunikációs infrastruktúra is rendelkezésre áll, célszerű a berendezést áramérzékelővel felügyelni, és állapotát SCADA rendszeren keresztül ellenőrizni. Így az üzemeltető időben értesülhet arról, ha a VLD túlterhelődött, és cserére szorul. Amikor egy VLD F tartósan vezető állapotba kerül, a rajta átfolyó áram átlagértékeinek statisztikai jellemzői jelentősen megváltoznak. Ez lehetőséget ad a korai beavatkozásra, és a VLD cseréjével a kóboráramok hatékonyan csökkenthetők anélkül, hogy a rendszer összes VLD berendezését fizikailag vagy elektromosan át kellene vizsgálni.
2. osztályba sorolt bonyolult VLD (VLD-O+F)
A 2. osztályba sorolt VLD k, a SALTEK BVL (kétirányú) terméksorozat tagjai, az egyenáramú vasúti vontatási rendszerekben széles körben alkalmazott autonóm túlfeszültség korlátozó eszközök. Autonóm kialakításuknak köszönhetően nem igényelnek külső segédáram ellátást.
Ezeket a berendezéseket kifejezetten abból a célból fejlesztették ki, hogy meghibásodás vagy rövidzárlat esetén a lehető legnagyobb energiamennyiséget legyenek képesek elvezetni megismételhető VLD F üzemmódban. Ugyanakkor gyors reakciót biztosítanak VLD O módban is a vasúti forgalom által kiváltott túlfeszültségekre. Kritikus helyzetekben – például a tápszakasz szakaszolók késleltetett működése vagy rendkívül nagy zárlati áramok esetén – a berendezések megismételhetetlen VLD F funkcióval is képesek ellátni védelmi feladatukat.
A SALTEK BVL sorozat kiváló válaszismétlő képessége egyértelműen meghatározza alkalmazási területét. Elsősorban olyan vontatási rendszerekhez ajánlott, ahol nemcsak a személyi és üzembiztonság kiemelt szempont, hanem a kóboráramok szivárgásának minimalizálása is elvárás. Ilyen környezetben a BVL sorozat lényegesen kedvezőbb eredményeket biztosít, mint az SCG sorozat, illetve más gyártók 2. osztályba sorolt megoldásai.
A berendezések teljesítményét tovább növeli az A2 típusú integrált túlfeszültség levezető (MOV). Ez rendkívül gyorsan reagál mind a légköri eredetű túlfeszültség lökésekre, mind pedig a vontatási rendszer hibaimpulzusaira. Utóbbiakat jellemzően a vontatási kör induktív impedanciája okozza. Az A2 MOV egyúttal hatékony védelmet nyújt a VLD félvezetős belső elektronikája számára is.
Meredek feszültségcsúcsok a korszerű egyenáramú vasúti rendszerekben is előfordulnak. Különösen igaz ez azokra a hálózatokra, ahol rekuperációs fékezéssel működő járművek adják vissza az energiát a rendszerbe, vagy ahol IGBT alapú DC/AC inverterekkel felszerelt, modern hajtásrendszereket alkalmaznak.
A 2. osztályú SALTEK VLD-k alapját egy nagy érzékenységű elektronikus vezérlőegység (EDC) képezi. Ez az elektronika folyamatosan figyeli a feszültségszintet a VLD csatlakozóin. Amennyiben az érték túllépi az előírt határértéket, a rendszer rövid – jellemzően 1,5 ms – késéssel bekapcsol egy teljesítmény tirisztort. A tirisztor ekkor átveszi a terhelést az addig működő teljesítmény varisztoroktól, amelyek a megengedett feszültség túllépését követően 10 μs on belül vezető állapotba kapcsolnak.
Az UVL egyirányú változat egyetlen EDC + tirisztor + A2 MOV egységgel rendelkezik, és kizárólag egyetlen túlfeszültség polaritásra reagál. Ez a gazdaságos megoldás elsősorban régebbi, egyszerűbb vontatási rendszerekhez ajánlott. Ezekben az alkalmazásokban a negatív polaritású feszültségcsúcsok vagy egyáltalán nem jelentkeznek, vagy csak nagyon ritkán, és nincs igény összetett VLD F védelmi funkcióra.
Ezzel szemben a BVL sorozat kétirányú kivitele két, egymással ellentétes irányú, párhuzamosan kapcsolt teljesítmény tirisztort alkalmaz. Ezeket külön EDC egységek vezérlik, és működésüket A2 típusú teljesítmény varisztorok egészítik ki. Ez a felépítés biztosítja a gyors és hatékony reagálást mind a forgalmi eredetű, mind pedig a légköri túlfeszültség csúcsokra, mindkét polaritás esetén.
A 6. ábra az UVL és a BVL berendezések túlfeszültség impulzusokra adott jellemző válaszát szemlélteti.
ábra 6: A hullámrajz szemlélteti egy meredek, nagy energiájú impulzus szimulációja közben a BVL / UVL válaszát.
ábra 7: UVL/BVL tehelés diagramja
A 7. ábra a BVL/UVL sorozat 2. osztályba sorolt SALTEK VLD berendezését mutatja be. A fentiek alapján jól látható, hogy – a rendkívül magas termikus határáramokat leszámítva – ez a VLD képes együttműködni a modern alállomási szakaszolók rövidzárlati kioldási tartományával. Ennek köszönhetően ismételten képes az áramértékek kapcsolására, biztosítva ezzel a könnyű villamosok és vonatszerelvények folyamatos áramellátását.
Amennyiben a rövidzárlati áram megszakítására szolgáló szakaszoló kioldási értékét például 4 kA-ról 4,5 kA-ra állítják – ami megfelel a kisebb villamos alállomások tipikus túláram kioldási szintjeinek –, a BVL technológia már ismételhető üzemmódban is képes együttműködni a gyors megszakítókkal. Ilyen esetben a berendezés megismételhető VLD F-ként alkalmazható nemcsak a vágány mentén, hanem – bizonyos feltételek fennállása esetén – akár a vontatási alállomáson is. Ez figyelemre méltó, mivel az alállomásokon általában a jelentősen drágább, 4. osztályba sorolt VLD-k használata az elterjedt megoldás.
Fontos szempont, hogy a VLD vel védett munkavezeték zónában nem szükséges minden egyes oszlopot vagy fémszerkezetet külön biztosítani. Ehelyett az elektromosan vezetőképes műtárgyakat egymással kell összekötni, majd ezt az összekapcsolt rendszert kell egy megfelelő VLD n keresztül a sínhez csatlakoztatni. Felmerül a kérdés, hogy ezzel a módszerrel – a többi, jóval költségesebb megoldáshoz képest – lényegesen alacsonyabb beruházási igénnyel biztosítható e egy teljes DC villamos vagy könnyűvasúti vontatási rendszer hatékony védelme.
A VLD k minimális telepítési konfigurációja villamos hálózaton jellemzően magában foglalja:
- az alállomásokon a negatív áramellátó vezető (sín) és a földelés (MEB) közé telepített VLD t, valamint
- minden vasúti megállónál a sín és a földelés közé elhelyezett VLD berendezést.
Az alállomás közelében fellépő meghibásodások, különösen rövidzárlatok esetén, különböző maximális áramértékekkel kell számolni, amelyek erősen függenek az alállomás műszaki paramétereitől. Ezzel szemben az alállomásoktól távolabb fellépő meghibásodásoknál a maximális áramot már jelentős mértékben korlátozza az áramellátó hurok impedanciája, különösen a munkavezeték váltakozó áramú ellenállása.
Amennyiben a VLD ket földalatti rendszerekben vagy nagy terhelésű egyenáramú vasutakon alkalmazzák, figyelembe kell venni a nehéz vonatok üzemi sajátosságait is. Ezeknél a járműveknél a nagyobb tömeghez magasabb üzemi áramok tartoznak. A legnagyobb áramértékek jellemzően a vonatok indulási (gyorsítási) szakaszában, illetve fékezéskor jelentkeznek. Ennek következménye, hogy az alállomásokon alkalmazott szakaszolók rövidzárlati kioldási határértékeit is magasabb szintre kell beállítani.
Egy precízen megtervezett és gondosan kivitelezett vontatási rendszerben lehetőség van arra, hogy a túlfeszültség védelmet döntően 2. osztályba sorolt (BVL) VLD berendezésekkel oldják meg, elsősorban a kisebb terhelésű csomópontokra telepítve őket. Az ilyen megoldás alkalmazása előtt azonban elengedhetetlen a rendszer részletes modellezése megfelelő szoftver segítségével, amely figyelembe veszi az összes lehetséges üzemi állapotot. Alternatív megoldásként próbaüzemmel is igazolható a védelem hatékonysága.
Különösen kritikus helyzetet eredményezhet több vonatszerelvény egyidejű gyorsítása és fékezése a vasútszakasz különböző pontjain. Ilyenkor hosszabb ideig fennálló, jelentős feszültség és áramimpulzusok léphetnek fel, amelyek nagysága akár több száz amper is lehet, és egyes esetekben megközelítheti az 1 kA értéket is, akár több tíz másodperc időtartamon keresztül. Ezekben az esetekben a megfelelő védelem csak erősebb, 3. vagy 4. osztályba sorolt VLD berendezések alkalmazásával biztosítható.
4. osztályba sorolt „Smart” VLD berendezés (VLD-O+F)
A SALTEK portfóliójában nagy teljesítményű, 4. osztályba sorolt VLD berendezések is megtalálhatók, a PVL terméksorozat részeként. A fejlesztés során a gyártó figyelembe vette az elektromos vasutak által a korszerű, hatékony és interaktív feszültségkorlátozó rendszerekkel szemben támasztott valamennyi jelenleg ismert követelményt.
A PVL sorozat fejlesztésekor a SALTEK egy egyedülálló megoldást alkalmazott. A koncepció alapja egy 2.2. osztályba sorolt, autonóm VLD berendezés és egy elektronikus vezérlésű megkerülő áramút kombinációja. Ez az elrendezés rendkívül magas szintű megbízhatóságot és személyvédelmet biztosít különböző üzemi körülmények között, sőt vészhelyzetekben is. Mindezt úgy valósítja meg, hogy közben a kóboráramok energiatartalmát a lehető legkisebb mértékre csökkenti.
A rendszerben az integrált BVL berendezés – amely egy kétpólusú, 2.2. osztályba sorolt VLD, beépített A2 típusú túlfeszültség védelmi elemmel – reagál elsőként az engedélyezett érintési feszültségszint túllépésére. Ez a berendezés képes elvezetni mind a légköri eredetű kisülések, mind pedig a meghibásodásokból, például rövidzárlatokból származó áramok nagy kezdeti energiatartalmát.
Ennek a kialakításnak jelentős előnye, hogy a VLD O + F alapfunkciók akkor is biztosítottak maradnak, ha a VLD4 rendszer bármely alrészében hiba lép fel. Ide tartozhat például a vezérlő mikroprocesszor, az azon futó szoftver vagy a mechanikus megkerülő meghibásodása. A hagyományos megoldások esetén ilyen helyzetekben gyakran tartós rövidzárlatos állapot alakul ki, ami a karbantartás vagy kizárás teljes időtartama alatt a visszatérő áramkör folyamatos földelését eredményezi, kóboráram szivárgás mellett.
Ezzel szemben a PVL berendezés ilyen esetekben is nagy impedanciájú állapotban marad, és 2. osztályba sorolt, szabványos VLD ként működik tovább. Vagyis csak akkor lép működésbe, ha a biztonságos feszültségszint túllépése ténylegesen bekövetkezik. Tartós rövidzárlat a PVL csatlakozókapcsain automatikusan kizárólag áramkimaradás esetén jön létre, egyéb esetekben pedig csak manuálisan alakítható ki.
A SALTEK minden termékénél kiemelt figyelmet fordít az üzembiztonság maximalizálására. Ennek része, hogy a VLD berendezés automatikus tartalék energiaforrással is felszerelhető. Az integrált energiaellátó rendszer lehetővé teszi az 1 + 1 redundáns konfiguráció megvalósítását, akár 230 V os váltakozó feszültségű hálózatról, akár állomási telepekről származó egyenfeszültségről, például AC 230 V + DC 48 V kombinációban, vagy más, egyedi energiaellátási megoldásokkal. Az energiaforrás meghibásodását a rendszer távolról is képes jelezni.
Normál üzemi állapotban, vagyis segédenergia jelenlétében, a vezérlő PLC szoftverlogikája folyamatosan figyeli a VLD termináljain fellépő feszültség és áramértékeket. Ennek alapján szükség esetén csatlakoztatja a párhuzamos megkerülő áramutat a rendszerbe épített 2. osztályú VLD hez. Így a rendszer hosszú távú áramvezető képessége növelhető. A megkerülő áramút csak akkor kerül bekapcsolásra, ha a szilárdtest alapú VLD2 energiakapacitása már nem elegendő, ami jelentősen meghosszabbítja a teljes VLD élettartamát.
A VLD terminálok kényszerített rövidzárlata – legyen az elektronikus úton, a VLD4 vezérlőpanelről végrehajtva, vagy manuálisan működtetett, mechanikusan zárható földelőkapcsoló segítségével – hatékonyan alkalmazható a karbantartási munkákat végző személyzet teljes körű védelmére.
A 8. ábra szemlélteti a berendezés rövid idejű, illetve tartós terhelhetőségének határgörbéit.
ábra 8: PVL-1000 teherbíró képessége határának görbélye
A fenti csúcsterhelési görbék egyértelműen mutatják, hogy a PVL 1000 akár 3,5 kA nagyságú áramerősséget is képes kezelni hozzávetőleg 30 másodperces időtartamon keresztül. Ez nagyjából megfelel egy átlagos gyorsítási vagy fékezési ciklus idejének, vagyis annak az időszaknak, amely alatt a VLD4 berendezésnek el kell viselnie a nagy áramterhelést. Ez a teljesítmény megfelelően lefedi a közlekedési üzem során előforduló valamennyi jellemző helyzetet.
A megkerülő áramkör megszakítását elektronikus vezérlés irányítja. A vezérlési logika megakadályozza az áramrelé ún. „pumpálását”, vagyis a gyors egymásutánban történő be és kikapcsolást. Ennek eredményeként a bekapcsolt állapot időtartama a lehető legrövidebb, vagyis minimális ideig marad nyitva az áramút a kóboráram számára.
A teljes VLD4 működését a szoftver optimalizálja, figyelembe véve a tipikus üzemeltetési követelményeket. A SALTEK emellett egyedi megrendelői igényeket is képes kiszolgálni, és a VLD működési jellemzőit az adott ügyfél forgalmi sajátosságaihoz tudja igazítani.
A PVL 1000 interaktivitása megfelel a korszerű vasúti berendezésekkel szemben támasztott elvárásoknak. A berendezés folyamatos felügyeletét és távvezérlését a vezérlőközponttal folytatott kommunikáció biztosítja, szabványos Ethernet interfészen, a leggyakrabban alkalmazott MODBUS protokoll használatával (TCP/IP kapcsolaton keresztül).
Ez a megoldás nemcsak a csomópont pillanatnyi alapállapotának ellenőrzését teszi lehetővé – például a feszültség- és áramértékek folyamatos megfigyelését –, hanem a VLD egyes fontos részegységeinek, valamint a teljes berendezés állapotának ellenőrzését is. Mindez elvégezhető például SCADA rendszeren keresztül. A rendszer egyúttal lehetőséget ad a működési paraméterek beállítására is, beleértve az úgynevezett kényszerített üzemmódokat, vagyis a VLD távoli bekapcsolását. A gyűjtött adatokat ezt követően szoftveres eszközökkel részletesen ki lehet elemezni.
Ennek köszönhetően a PVL 1000 nemcsak védelmi szerepet tölt be, hanem a vontatási rendszer adott csomópontjának folyamatos felügyeleti elemévé is válik. Természetesen a kézi vezérlés is biztosított, közvetlenül a VLD interaktív kezelőpaneljén keresztül.
Számos hasonló megoldással összevetve a PVL 1000 kiemelkedik kis tömegével és kompakt kialakításával, ezért kiválóan alkalmas zárt terekben történő telepítésre is. Ilyenek például a konténeres kivitelű vontatóalállomások, vasúti alagutak vagy más korlátozott beépítési helyek.
A PVL 1000 berendezéseket jellemzően olyan környezetben alkalmazzák, ahol veszélyes feszültségpotenciálok alakulhatnak ki. Ilyen helyzetek különösen a nehéz vonatszerelvények gyorsítása vagy fékezése során fordulnak elő, főként a vontatási alállomásoktól nagyobb távolságokra eső szakaszokon. Szintén tipikus alkalmazási területet jelentenek a rekuperációs fékezést alkalmazó rendszerek, ahol a vonatok egymás energiaforrásaként működnek, illetve ahol az energia visszatáplálása történik az elektromos hálózatba.
További jellemző beépítési helyek:
- egyenáramú vontatási alállomások,
- vasúti szakaszolók és leválasztók,
- vasúti megállók és állomások,
- vasúti műhelyek és karbantartó létesítmények.
A 9. ábra a VLD berendezések alkalmazásának néhány tipikus példáját szemlélteti, noha a lehetséges felhasználási területek ezeknél jóval szélesebb körűek.
ábra 9: A VLD berendezések vasúti telepítésének jellemző módja
A SALTEK feszültségkorlátozó berendezéseihez magas szintű megbízhatóságot, kiváló minőséget és hosszú élettartamot garantál. A gyártó emellett átfogó ügyféltámogatást biztosít, amely segítséget nyújt a tervezés, a tesztelés és az üzemeltetés minden szakaszában.
A termékekkel kapcsolatos további információk a www.saltek.eu weboldalon érhetők el, illetve személyes kapcsolatfelvétel útján is részletes tájékoztatás kérhető a SALTEK műszaki támogatást nyújtó szakembereitől.
