Modelowanie, badanie i analiza wybranych problemów kompatybilności elektromagnetycznej w polskim kolejnictwie

Opis

Prawidłowe działanie urządzeń sterowania ruchem kolejowym (SRK) jest uwarunkowane wzajemnym współistnieniem wielu różnych czynników w szczególności zaburzeń napięciowych. Uszkodzenia urządzeń SRK mogą stwarzać zagrożenia dla bezpieczeństwa funkcjonowania linii kolejowej i generować znaczące koszty. Celowa jest zatem ciągła weryfikacja niezawodności działania urządzeń ochrony odgromowej i przepięciowej, a tym samym zwiększanie bezpieczeństwa pracy urządzeń SRK. Znaczącą rolę w tym zakresie odgrywa stała współpraca z projektantami i producentami urządzeń, wyszukiwanie słabych elementów ochronnych i ich wymiana w celu zwiększenia niezawodności pracy systemu. Zwykle rzadko wykonywane są badania kompatybilności elektromagnetycznej w rzeczywistych urządzeniach sterowania ruchem kolejowym, głównie ze względów technicznych, eksploatacyjnych i ekonomicznych. W tym zakresie symulacje komputerowe zyskują coraz większe znaczenie dając możliwość uwzględnienia wpływu różnych czynników, przy jednoczesnym minimalizowaniu kosztów analizy. Przydatne w takich analizach są komputerowe symulatory w dziedzinie polowej (CDEGS, NEC) czy standardowe pakiety do obliczeń obwodowych (SPICE, EMTP-ATP).

Praca ma charakter eksperymentalno–analityczny. Eksponuje możliwości stosowania sprawdzonych procedur projektowania rozwiązań ochrony przeciwzakłóceniowej z wykorzystaniem symulacji zagrożeń urządzeń SRK. Pozwalają one na badania warunków pracy elementów układu i prawidłowy dobór zabezpieczeń. Z przeprowadzonej analizy literatury wynika, że niewiele jest pozycji, w których by konfrontowano wyniki symulacji warunków przepięciowych z wynikami pomiarów.
We wstępie i drugim rozdziale pracy omówiono cel, zakres i konstrukcję monografii oraz stan normalizacji w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej w polskim kolejnictwie.

W rozdziale trzecim zamieszczono wyniki z przeprowadzonej analizy zmian zachodzących w latach 2015-2019 w zabudowywanych urządzeniach SRK udostępnionych przez PKP Polskie Linie Kolejowe S. A. Wykazano wzrost liczby zabudowywanych urządzeń przekaźnikowo – mikroprocesorowych i mikroprocesorowych. Ta część pracy obrazuje wzrost wrażliwości analizowanych urządzeń SRK na przepięcia, a co za tym idzie zwiększenie roli zagadnień kompatybilności elektromagnetycznej analizowanych w monografii.

Rozdział czwarty jest poświęcony modelowaniu źródeł udarów stosowanych w badaniach kompatybilności elektromagnetycznej. W celu opracowania modeli źródeł udarów zostały wykonane wspólnie z autorką pomiary w dwóch niezależnych laboratoriach z zastosowaniem generatorów udarów: Haefely PC6-288.1 z filtrem: Haefely FP 20/3-3.2 oraz Schafner NSG 2050. Pomiary obejmowały nie tylko parametry źródła udarów, ale także układów i elementów ochrony przepięciowej. Praca jest kontynuacją działalności naukowej autorki przedstawionej w rozprawie doktorskiej oraz późniejszych publikacjach. W monografii zamieszczono wyniki badań i modelowania różnych źródeł udarów zalecanych przez normy do badania urządzeń SRK w tym utworzony na podstawie wyników pomiarów napięcia i prądu model generatora udaru kombinowanego 1,2/50 μs 8/20 μs, model odgromnika gazowego i model układu do ochrony przepięciowej obwodów torowych. Rozważania dotyczą także modelowania stanów nieustalonych w kablach jako elementach łączących urządzenia, które w znaczący sposób mogą przyczyniać się do uszkodzeń coraz bardziej wrażliwych urządzeń SRK.

W kolejnej części pracy (rozdział piąty) zamieszczono analizy zagrożeń przepięciowych pochodzenia atmosferycznego z wykorzystaniem modelu kabla sygnalizacyjnego. Przedstawiony model kabla wielożyłowego jako układ zawierający odpowiednio dobrane źródła sterowane reprezentujące sprzężenia indukcyjne i pojemnościowe pomiędzy żyłami kabla, może być przydatny w ocenie zagrożeń przepięciowych urządzeń SRK. Przeprowadzono analizę wykonanych w tym zakresie podobnych badań opisanych w cytowanej literaturze.

W rozdziale szóstym analizowano oddziaływanie linii elektroenergetycznych na urządzenia kolejowe polegające na indukowaniu się napięć w usytuowanych w bliskim sąsiedztwie liniach kablowych połączonych z urządzeniami SRK oraz liniach telekomunikacyjnych. W pierwszej części rozdziału przeprowadzono analizę oddziaływania na przykładowo wybrany kabel sygnalizacyjny stosowany do urządzeń SRK. Elementami oddziałującymi na kabel SRK były napowietrzne linie energetyczne prądu przemiennego. W analizie uwzględniono linie o napięciach 110 kV, 220 kV i 400 kV. Wykonano obliczenia napięcia indukowanego w ekranie równolegle ułożonego kabla sygnalizacyjnego o przyjętej długości L dla różnych odległościach od osi linii WN. Analizę wykonano w programie obliczeniowym SESTLC w którym przeprowadzono obliczenia oddziaływań indukcyjnych i konduktancyjnych. Obliczenia dla przyjętego modelu wykazały, że indukowane napięcie może być zagrożeniem dla prawidłowej pracy urządzeń SRK. Ponadto każde niepożądane napięcie może być poważnym zakłóceniem sygnału wpływającym na zachwianie komunikacji sąsiadującego z linią systemu, a tym samym bezpieczne działanie urządzeń SRK. W drugiej części szóstego rozdziału monografii przeprowadzono obliczenia oddziaływań sieci trakcyjnej 3 kV na kabel sygnalizacyjny dla przypadku istniejącego toru doświadczalnego z udostępnionymi wynikami pomiarów, zlokalizowanego w terenie, gdzie nie występują obiekty będące źródłem silnych pól elektromagnetycznych. Zamieszczono wyniki zależności maksymalnych wartości indukowanych napięć w kablu w funkcji częstotliwości przy dwóch wartościach obciążenia.

Spis treści

Ważniejsze oznaczenia / 7
Skróty / 8

1. Wprowadzenie / 11

2. Problemy kompatybilności elektromagnetycznej w polskim systemie kolejowym / 15
2.1. Wprowadzenie / 15
2.2. Kompatybilność elektromagnetyczna w systemie kolejowym – powstawanie i przenoszenie zaburzeń / 16
2.3. Stan normalizacji / 25
2.4. Uwarunkowania prawne w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej w PKP / 26
2.5. Zastosowanie modeli matematycznch w rozwiązywaniu problemów kompatybilności
elektromagnetycznej w PKP / 29

3. Opis stanu urządzeń sterowania ruchem kolejowym / 31

4. Badania eksperymentalne oraz modelowanie i symulacja źródeł zaburzeń w systemie kolejowym / 45
4.1. Wprowadzenie / 45
4.2. Przebiegi wysokoenergetyczne – pomiary i modelowanie udarów / 49
4.3. Modelowanie elementów ochrony przepięciowej – model odgromnika gazowego / 58
4.3.1. Działanie odgromnika gazowego / 60
4.3.2. Model odgromnika gazowego w programie LTspice / 62
4.4. Prądy udarowe w symulacji piorunowych wyładowań doziemnych / 66
4.5. Modelowanie działania generatora udaru napięciowego 5/50 ns / 69
4.6. Analiza zagrożeń powodowanych przez przebiegi niskoenergetyczne wysokiej częstotliwości i zaburzenia o częstotliwościach radiowych / 71

5. Analiza zagrożeń systemów SRK – narażenia w okablowaniu / 73
5.1. Wprowadzenie / 73
5.2. Modelowanie wieloprzewodowych linii bezstratnych / 74
5.3. Parametry jednostkowe kabla wielożyłowego / 76
5.4. Model sprzężeń międzyprzewodowych z zastosowaniem źródeł sterowanych w pakiecie LTspice / 78
5.5. Okablowanie wykonane z przewodów miedzianych / 88
5.6. Sieci i magistrale z zastosowaniem kabli optycznych / 91
5.7. Ochrona kabli optycznych / 93

6. Analiza oddziaływania linii elektroenergetycznych na urządzenia kolejowe / 95
6.1. Wprowadzenie / 95
6.2. Oddziaływanie indukcyjne linii elektroenergetycznych wysokiego napięcia na kabel SRK / 99
6.3. Oddziaływanie składowej przemiennej sieci trakcyjnej na kable sygnalizacyjne / 109

7. Podsumowanie / 123

Literatura / 125
Streszczenie / 139
Summary / 141
Récapitulation / 143

Informacje o bezpieczeństwie produktu Informacje o producencie