Vědeckotechnický sborník ČD

Transkript

1 Vědeckotechnický sborník ČD č. 08/1999

2 VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1999 ČÍSLO 8 Karel Hlava Elektromagnetická kompatibilita trojfázového můstkového usměrňovače s R-C zátěží vůči napájecí síti Klíčová slova: trojfázový usměrňovač, odporově kapacitní zátěž, nesouměrné napětí, účiníky, harmonické odebíraného proudu. Úvod Vlastnosti trojfázového usměrňovače z hlediska EMC vůči napájecí síti jsou mezi jiným dány též charakterem jeho zatěžovacího obvodu. Trojfázový usměrňovač (dvanáctipulzní) trakčních měníren je zatěžován odběrem hnacích vozidel, jejichž náhradní schéma má charakter R-L obvodu. V takovém případě se uplatní z hlediska EMC především úhel překrytí fázových proudů trakčního usměrňovače. Hodnota úhlu překrytí je závislá jak na zatěžovacím proudu, tak i na fázové reaktanci usměrňovačového transformátoru (dané jeho napětím nakrátko). Čím větší jsou hodnoty těchto veličin, tím je úhel překrytí větší. Přibližně jeho polovina pak určuje posun základní harmonické fázového proudu vůči příslušnému napájecímu napětí, mající charakter zpoždění proudu za napětím. Protože usměrňovačový transformátor je zatěžován trakčním odběrem symetricky ve všech fázích, určuje polovina úhlu překrytí fázových proudů svým kosinem i účiník trakčního odběru. Účiník základní harmonické trakčního usměrňovače měnírny má tedy vždy indukční charakter a jeho hodnota od jistého zatížení poněkud klesá s rostoucí hodnotou trakčního odběru. Napětí nakrátko usměrňovačového transformátoru bývá voleno tak, aby úhel překrytí při jmenovitém zatížení usměrňovače byl přibližně 25 elektr. stupňů. Z toho pak plyne hodnota účiníku samotného trakčního usměrňovače při jeho jmenovitém zatížení cos ϕ = cos 12,5 = 0,976, což přibližně odpovídá i hodnotám dosahovaným v provozu měníren ČD. Ing. Karel Hlava, CSc., nar Absolvent ČVUT Praha, specializace elektrická trakce. Vědecká hodnost získána v r Zaměřen na otázky pevných trakčních zařízení a jejich EMC a na kvalitu elektrické energie. Do roku 1994 zaměstnán ve VÚŽ, nyní v DDC - TÚDC, S24. Pro obsah harmonických proudu odebíraného trakčním usměrňovačem z napájecí sítě platí tzv. amplitudový zákon, podle kterého poměrný obsah proudových harmonických je nepřímo úměrný řádovému číslu harmonické. Dvanáctipulzní usměrňovač trakčních měníren ČD má pro 11. harmonickou poměrný obsah v mezích od 9,1 % (pro dokonalé vyhlazení usměrněného proudu) do 8,8 % (pro bezindukční zatěžovací obvod), pro 13. harmonickou v mezích od 7,7 % do 7,2 %. Činitel celkového harmonického zkreslení (THD) souhrnně popisuje zkreslení časového průběhu a je například podle EN [1] článek definován pro napětí výrazem 13

3 THD = 2 ( ) 40 U n n= 2 kde U n je poměrná amplituda n-té harmonické napětí vztažená k amplitudě základní harmonické. Analogický výraz se používá i pro proudy. Pro dvanáctipulzní usměrnění vychází za předpokladu dokonalého vyhlazení usměrněného proudu hodnota THD = 13,3 %. Šestipulzní usměrňovač má navíc v odebíraném proudu ještě 5. harmonickou s poměrným obsahem v mezích od 20 % do 18,6 % (podle stupně vyhlazení usměrněného proudu) a 7. harmonickou s obsahem v mezích od 14,3 do 11,3 %. Hodnota činitele celkového harmonického zkreslení vychází v tomto případě THD = 28,4 %. Podstatně odlišné vlastnosti z hlediska EMC vůči napájecí síti má trojfázový šestipulzní usměrňovač s odporově - kapacitní zátěží, tedy zatížený obvodem R-C. Toto schéma se využívá na ČD ve vstupních obvodech statických měničů menších výkonů určených pro netrakční účely, např. pro měniče napájející obvody zabezpečovací techniky. Rozboru vlastností tohoto obvodu je věnován tento příspěvek. Zvláštní pozornost je věnována vlivu amplitudové nesymetrie fázových napětí způsobované např. nesymetrickým zatížením napájecí sítě jinými odběry. Metodika simulační studie Cílem simulační studie je osvětlit elektrické a energetické poměry v modelovém obvodu. Konkrétně se jedná o následující otázky, které se týkají dvou základních okruhů, a to: A) napájecí napětí je souměrné, všechna tři fázová napětí jsou stejná a vzájemné fázové úhly jsou 120 stupňů, B) napájecí napětí fáze (L1) má zmenšenou hodnotu, původní hodnoty napětí fází (L2) a (L3) jsou zachovány, fázové polohy všech fázových napětí jsou zachovány. V obou těchto okruzích otázek simulační studie analyzuje následující otázky: 1. jaký je časový průběh proudu odebíraného jednotlivými fázemi, 2. jaký je účiník základní harmonické odběru jednotlivými fázemi, 3. jaký je celkový účiník odběru všemi třemi fázemi, 4. jaké je spektrální složení proudu odebíraného jednotlivými fázemi (amplitudy a fáze 1. až 9. harmonické složky), 5. jaké hodnoty dosahuje činitel celkového zkreslení (THD) jednotlivých fázových proudů. Jako podklad pro simulační studii vlastností trojfázového šestipulzního usměrňovače s R-C zatěžovacím obvodem byly vzaty údaje týkající se vstupních obvodů statického měniče s napěťovým stejnosměrným meziobvodem připojeného k trojfázové síti nn přímo bez transformátoru. Hodnoty elektrických obvodových prvků jsou: indukčnost vstupní odrušovací tlumivky 33 µh kapacita kondenzátoru ve filtru usměrněného napětí 220 µf náhradní odpor zátěže zvolen 100 Ω (analogie obvyklého provedení) amplituda napájecího napětí fáze (L1) volena v mezích 300 až 400 V amplituda napájecího napětí fáze (L2) a (L3) zvolena 400 V Pro simulační studii byly použity následující SW nástroje: a) Simulační program PSPICE verze 5 (získaný jako freeware z ČVUT Praha) po zavedení vstupních hodnot obvodových prvků poskytl amplitudy a fáze 1. až 9. harmonické odebíraných fázových proudů, hodnoty činitele celkového zkreslení (THD) a pro ilustraci též časové průběhy těchto proudů. 14

4 b) Simulační program WorkBench PC pro Windows firmy Strawberry Tree (majetek ČD TÚDC S24, odd. EMC) pak po dosazení amplitud i fází napětí a amplitud i fází základní harmonické proudů dal všechny požadované elektrické a energetické hodnoty. c) Hodnoty činitele napěťové nesymetrie α U byly určeny originálním SW odd. EMC na základě výsledků části b) pomocí vzorce převzatého z podkladu CIGRÉ a pojatého do návrhu PNE [9],čl. 4.1 jako vzorec č.3. Výsledky simulační studie V úvodu této části příspěvku jsou uvedeny dvě ukázky časového průběhu proudů, které analyzovaný usměrňovač odebírá z napájecí sítě. První ukázka na obrázku 1 se týká případu, kdy je napájecí napětí souměrné, tedy jeho činitel napěťové nesymetrie α U = 0. Druhá ukázka na obrázku 2 se týká případu, kdy došlo na jednom z fázových napětí k poklesu o 10 %, kdy činitel napěťové nesymetrie α U = 3,45 %. Z těchto ukázek je patrno, že: proud odebíraný usměrňovačem je při zadaných parametrech přerušovaný a je vytvářen dvěma pulsy, v případě symetrického napájecího napětí je časový průběh všech tří fázových proudů stejný, v případě zvolené hodnoty napěťové nesymetrie se však časové průběhy fázových proudů liší. Další energetické parametry sledovaného usměrňovače jsou analyzovány na souboru diagramů, sestavených pro sledovaný rozsah napětí fáze (L1) v mezích od 400 V do 300 V, tedy pro rozsah činitele napěťové nesymetrie α U od 0 do 9,1 %, při zachování těchže číselných hodnot ostatních obvodových parametrů. Prvořadý význam mají hodnoty celkového účiníku usměrňovače určeného ze složek odebíraného výkonu. Z obrázku 3 je patrno, že usměrňovač vykazuje s rostoucí nesymetrií napájecího napětí klesající hodnotu účiníku, který má trvale kapacitní charakter. Na dalším obrázku 4 jsou znázorněny závislosti účiníku jednotlivých fází napájecího napětí na jeho stupni nesymetrie. Jak bylo možno očekávat z časového průběhu proudu fáze (L3) na obrázku 2, má účiník fáze (L3) ve srovnání s účiníky zbývajících fází význačně kapacitní charakter. Navíc je patrno, že proud fáze (L1) má charakter induktivní. Pro posouzení možnosti připojení usměrňovače s charakteristikami podobného typu je závažná harmonická analýza odebíraných fázových proudů. Závislost amplitud první harmonické fázových proudů na stupni nesymetrie napájecího napětí fáze (L1) je znázorněna na obrázku 5. Každý šestipulzní usměrňovač je na napájecí straně generátorem především 5.a 7. harmonické. Poměrné hodnoty těchto složek jsou ve vztahu k základní harmonické znázorněny v závislosti na stupni nesymetrie napájecího napětí na obrázku 6 a 7. Pro průběhy na obou těchto obrázcích je zajímavé, že s rostoucím stupněm nesymetrie napájecího napětí poměrné obsahy 5. a 7. harmonické v podstatě klesají. Výjimku tvoří složka 7. harmonické proudu fáze (L1). Hodnoty uvedené na obou obrázcích souhlasí s varovnými údaji PNE [7]. Zde článek Usměrňovače s kapacitní filtrací obsahuje tabulku 8 uvádějící pro trojfázový proud a 5. harmonickou výpočetní poměrný obsah 86 %, pro 7. harmonickou pak obsah 70 %. Celkově se zkreslení časového průběhu fázových proudů posuzuje činitelem celkového zkreslení THD, jehož závislost na stupni nesymetrie napájecího napětí je uvedena na obrázku 8. Z obrázku je patrno, že THD proudů fází (L1) a (L3) vzrůstá se stupněm nesymetrie napájecích napětí, zatím co pro THD proudu fáze (L2) dochází ze zatím neznámých důvodů k poklesu. Posuzování EMC usměrňovače s R-C zátěží Hodnocení vlastností statických měničů, které mají na vstupu trojfázový usměrňovač s odporově - kapacitním zatížením a stejnosměrným meziobvodem z hlediska jejich EMC vůči napájecí síti, závisí na: jejich schématu, jejich výkonu, 15

5 způsobu jejich připojení do veřejné sítě rozvodného závodu, zkratovém výkonu veřejné sítě v odběrném místě, případném sjednání zvláštní dohody s rozvodným závodem. Analyzovaný příklad se týká měniče s malým výkonem. Jeho vlastnosti v oblasti EMC vůči napájecí síti mají vliv na elektrické poměry v této síti, což se dotýká nejenom této sítě samé, ale v této souvislosti nutno zajistit i nerušenou dodávku elektrické energie ostatním odběratelům, zejména nedrážním spotřebičům, napájeným v daném místě z drážního rozvodu v rámci autorizace udělené Českým drahám. Rámcově se zde uplatňuje zákon č. 222/1994 Sb. [5], který v 15 článek (4) písmeno a) ukládá odběrateli zajistit, aby jeho odběrné zařízení bylo vybaveno dostupnými technickými prostředky omezujícími vliv zpětného působení na kvalitu dodávané elektřiny ostatním odběratelům a aby neovlivňovalo funkci řídící, měřicí a zabezpečovací techniky a činnost systému hromadného dálkového ovládání. V případě porušení této povinnosti má dodavatel elektřiny ve smyslu 9 článek (4) písmeno h) právo omezit nebo přerušit v nezbytném rozsahu dodávku energie, jestliže odběratel používá při odběru energie zařízení, které ovlivňuje kvalitu energie v neprospěch ostatních odběratelů, nebyla-li učiněna dostupná technická opatření k omezení tohoto vlivu. Pro první hledisko, to jest zpětné působení měniče jako elektrického zařízení na napájecí síť nízkého napětí, platí následující předpisy a normy, definující podmínky pro připojení těchto zařízení: PNE [8] obsahuje kapitolu 4 Meze harmonických emitovaných instalací odběratele do sítě nn - připojovací podmínky. V kapitole této PNE Připojování relativně malých zařízení se na prvním místě analyzuje stav, kdy zkratový poměr v odběrném místě sítě, definovaný jako zkratový výkon sítě ve společném napájecím bodu S K dělený jmenovitým zdánlivým výkonem elektrického zařízení S, není menší než 33. V takovém případě může být elektrické zařízení připojeno po posouzení dodavatelem elektrické energie (např. zda již v dané síti nejsou podobné odběry) do sítě nn, pokud emise harmonických proudu nepřekročí tyto mezní hodnoty: pro 5. harmonickou 10,7 % a pro 7. harmonickou 7,2 % jmenovitého proudu (viz tabulka 4 citované PNE). Pokud zařízení nevyhoví mezním podmínkám podle předchozího kritéria a zkratový poměr je větší než 33, pak toto zařízení může být po posouzení dodavatelem elektrické energie (např. zda již v dané síti nejsou podobné odběry) připojeno do sítě nn, pokud emise harmonických proudu nepřekročí hodnoty uvedené v následující tabulce, respektující vliv charakteristik sítě nn. Pak lze připustit větší poměrné hodnoty obsahu 5. a 7. harmonické proudu pouze za předpokladu větších hodnot zkratového výkonu sítě nn. Pro 5. a 7. harmonickou platí následující hodnoty závislé na zkratovém poměru: zkratový poměr jednofázová zařízení trojfázová zařízení větší než THD % I 3 % I 5 % I 7 % THD % I 5 % I 7 % > Pro hodnoty zkratového poměru mezi 33 a 120 je možné provádět lineární interpolaci mezi mezními hodnotami. V případě jednofázového zařízení připojeného na fázové napětí platí mezní hodnoty podle této tabulky s tím, že zkratový poměr je S K /(3*S). Je-li jednofázové zařízení připojeno na sdružené napětí, pak je zkratový poměr dán jako S K /(2*S). V této tabulce jsou současně uvedeny i mezní hodnoty činitele celkového zkreslení THD, kterým se souhrnně respektují harmonické též vyšších řádů. Relativní hodnoty sudých harmonických nesmí přitom překročit hodnotu 16/n %. 16

6 Jsou-li překročeny i mezní poměrné hodnoty harmonických proudu podle předchozího kritéria, může dodavatel elektrické energie požadovat filtraci harmonických, nebo nesouhlasit s připojením. V tomto případě se mezi dodavatelem a odběratelem vyžaduje zvláštní smlouva, kde se smluvní hodnoty mezí harmonických proudu stanoví podle sjednaného příkonu instalace odběratele. Mezní hodnoty jednotlivých harmonických musí být potom vztaženy k činnému proudu I S odpovídajícímu sjednanému příkonu instalace odběratele. Činitel THD nesmí přitom překročit 20 %. Jako příklad lze uvést následující mezní hodnoty poměrného obsahu 5. harmonické 9,5 % sjednané hodnoty proudu, 7. harmonické 6,5 % sjednané hodnoty proudu. Toto kritérium je nutno posoudit přímo na konkrétním místě nasazení měniče. Citovaná PNE v článku 4.2 definuje požadavky na výrobce zařízení. Výrobce musí informovat zákazníka o tom, že připojení zařízení může vyžadovat souhlas dodavatele elektrické energie s připojením. V souvislosti s tím výrobce zařízení upozorní zákazníka, aby si vyžádal od dodavatele elektrické energie informace o zkratovém výkonu v místě připojení. Výrobce zařízení musí buď přímo na zařízení nebo v dokumentaci zařízení vyznačit minimální zkratový poměr, pro který zařízení vyhovuje mezním hodnotám harmonických. Druhé hledisko sledující nárok ostatních odběratelů na dodávku čisté elektrické energie (např. v rámci jedné žst. na základě autorizace ČD) je uvedeno v EN [1] v kapitole 2 Charakteristiky dodávky elektrické energie nízkého napětí, v článku 2.11 Harmonické napětí. Tato EN však doposud do soustavy ČSN zavedena nebyla, ve státech EÚ však platí od roku Tato EN obsahuje dva požadavky: Za normálních provozních podmínek musí být během každého časového úseku jednoho týdne 95 % desetiminutových průměrných efektivních hodnot každého jednotlivého harmonického napětí menší nebo rovné hodnotě dané tabulkou. Pro 5. harmonickou platí obsah nejvýše 6 % U 1, pro 7. harmonickou nejvýše 5 % U 1. Celkový činitel zkreslení (THD) napájecího napětí (pro harmonické do n = 40) musí být THD 8 %. Zákon č. 22/1997 Sb. [6] v 13 Prohlášení o shodě v odstavci (2) uvádí: Výrobce nebo dovozce stanoveného výrobku je povinen před uvedením výrobku na trh vydat písemné prohlášení o shodě výrobku s technickými předpisy... Náležitosti prohlášení o shodě stanoví vláda nařízením. K provádění tohoto zákona byla vydána následující nařízení vlády: č. 168/1997 [10], kterým se stanoví technické požadavky na elektrická zařízení nízkého napětí, č. 169/1997 Sb. [11], kterým se stanoví technické požadavky na výrobky z hlediska jejich elektromagnetické kompatibility, č. 173/1997 Sb. [12], kterým se stanoví vybrané výrobky k posuzování shody. Z těchto nařízení vlády vyplývá pro výrobce nebo dovozce povinnost vydat potvrzení mimo jiné o tom, že vlastnosti výrobku splňují základní požadavky na výrobky a že přijal opatření, kterými zabezpečuje shodu všech výrobků uváděných na trh s technickou dokumentací a se základními požadavky na výrobky. Dále výrobce nebo dovozce musí uvést seznam technických předpisů a harmonizovaných ČSN, popřípadě technických norem IEC a CEE, které byly použity při posuzování shody. Pokud nebyly použity harmonizované ČSN nebo technické normy IEC nebo CEE nebo pokud takové normy nekonkretizují všechny základní požadavky, uvedou se v dokumentaci popisy řešení přijatých pro splnění základních požadavků. Z á v ě r y Předkládaná simulační studie přinesla tyto částečně zobecnitelné poznatky, týkající se analyzovaného reálného obvodu trojfázového šestipulzního usměrňovače se zatěžovacím obvodem s velkou kapacitou: 1) Časový průběh odebíraného fázového proudu je během poloperiody napájecího napětí přerušovaný a vykazuje v každé poloperiodě vždy dva pulzy. 2) Při symetrickém napájecím napětí vykazuje analyzovaný obvod jako celek hodnotu celkového účiníku základní harmonické cos ϕ CELK = 0,9936, který však má kapacitní charakter. 17

7 3) Stejně kapacitní charakter mají při symetrickém napětí napájecí sítě účiníky základní harmonické i jednotlivých fází. 4) Při nesymetrickém napájecím napětí, daném zmenšením hodnoty napětí fáze (L1), ztrácí od jisté hodnoty napětí této fáze účiník její základní harmonické charakter kapacitní a přechází do charakteru indukčního, zatím co účiníky základní harmonické zbývajících fází (L2) a (L3) zůstávají v kapacitním charakteru. 5) Spektrum harmonických složek proudu jednotlivých fází je bohaté. I v případě symetrické soustavy napájecího napětí dosahuje poměrný obsah 5. harmonické cca 75 %, obsah 7. harmonické pak cca 55 % základní harmonické. 6) Také hodnoty činitele celkového zkreslení (THD) vykazují i v případě symetrické soustavy napájecího napětí vysokou hodnotu cca 93 %. 7) Vzhledem k vysokým hodnotám harmonických fázových proudů i činitele celkového zkreslení (THD) je nutno před instalací měniče analyzovaného typu posoudit splnění jednotlivých v textu uvedených kritérií. Literatura [1] EN Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, November 1994 [2] IEC Elektromagnetická kompatibilita. Část 3: Meze. Oddíl 2: Meze pro emise harmonického proudu (zařízení se vstupním fázovým proudem větším než 16 A), připravuje se ve WG1, SC77A, IEC [3] ČSN IEC Elektromagnetická kompatibilita (EMC). Část 2: Prostředí. Oddíl 2: Kompatibilní úrovně pro nízkofrekvenční rušení šířené vedením a signály ve veřejných rozvodných sítích nízkého napětí, Leden 1996 [4] ČSN Elektrotechnické předpisy. Výpočet poměrů při zkratech v trojfázové elektrizační soustavě, Září 1992 [5] Zákon č. 222/94 Sb. z o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o státní energetické inspekci [6] Zákon č. 22/97 Sb. z o technických požadavcích na výrobky a o změně a doplnění některých zákonů [7] PNE Výpočetní hodnocení zpětných vlivů odběratelů distribučních soustav, platná od [8] PNE Parametry kvality elektrické energie. Část 1: Harmonické, platná od [9] PNE Parametry kvality elektrické energie. Část 3: Nesymetrie napětí, návrh [10] Nařízení vlády č. 168/1997 Sb. z 25. června 1997, kterým se stanoví technické požadavky na elektrická zařízení nízkého napětí [11] Nařízení vlády č. 169/1997 Sb. z 25. června 1997, kterým se stanoví technické požadavky na výrobky z hlediska jejich elektromagnetické kompatibility [12] Nařízení vlády č. 173/1997 Sb. ze dne 25. června 1997, kterým se stanoví vybrané výrobky k posuzování shody V Praze, červen 1999 Lektoroval: Ing. Jan Matějka ČD DDC O14 18

8 VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1999 ČÍSLO 8 Jan Matějka Nová technika při elektrizaci trati Brno - Česká Třebová Klíčová slova: elektrizace, trakční napájecí stanice, trakční vedení, rozvodna, účiník, filtrace a kompenzace, usměrňovač, rychlovypínač. 1. Úvod Začátkem roku 1999 byl zahájen elektrický provoz na trati Brno - Česká Třebová. Byl to jediný úsek I. koridoru, který dosud nebyl elektrizován z důvodů náročných rekonstrukcí tunelů a předelektrizačních úprav. Úsek je spojnicí mezi elektrizovanými tratěmi s rozdílnými trakčními soustavami. Jižní část vychází z jednofázové trakční soustavy 25 kv 50 Hz, severní část ústí do stejnosměrné trakční soustavy 3 kv. Dělící místo je před vjezdem do žst. Svitavy od Brna tak, že žst. Svitavy je již součástí stejnosměrné soustavy, aby ji na základě dopravních požadavků bylo možno obsluhovat z České Třebové jednosystémovými hnacími vozidly stejnosměrné trakce. Současně tak byla také řešena minimální ochranná vzdálenost (8 km) původní zabezpečovací techniky s kolejovými obvody 50 Hz v žst. Česká Třebová a na původně elektrizované trati od negativních vlivů jednofázové trakční soustavy 50 Hz. Výměna této techniky v dnešních ekonomických podmínkách ČD není reálná. V současnosti se jedná o poslední nově elektrizovanou trať, která prochází náročným terénem Moravského Krasu a Drahanské vysočiny s významnými požadavky na minimalizaci ekologických rizik. Tyto skutečnosti, vedle technických a ekonomických kritérií, přispěly k použití některých moderních a u Českých drah dosud ojedinělých technických zařízení. Stavba elektrizace trati Brno - Česká Třebová (generální dodavatel Elektrizace železnic Praha) navazovala na stavby modernizací, a to úseku Brno - Skalice (generální dodavatel Železniční stavitelství Brno) a úseku Skalice - Česká Třebová (generální dodavatel IPS Praha). Příspěvek nabízí přehled nových technických zařízení a postupů uplatněných při elektrizaci a zavedených do provozu u ČD. Ing. Jan Matějka, nar. 1942, absolvent VŠD Žilina obor elektrická trakce a energetika v dopravě. Od nástupu k ČSD v roce 1961 pracuje v odvětví elektrotechniky a energetiky. V současnosti u odboru elektrotechniky a energetiky ČD DDC jako vedoucí oddělení energetiky a napájecích systémů a zástupce ředitele odboru. Stavba elektrizace trati Brno - Česká Třebová (generální dodavatel Elektrizace železnic Praha) navazovala na stavby modernizací, a to úseku Brno - Skalice (generální dodavatel Železniční stavitelství Brno) a úseku Skalice - Česká Třebová (generální dodavatel IPS Praha). Příspěvek nabízí přehled nových technických zařízení a postupů uplatněných při elektrizaci a zavedených do provozu u ČD

9 2. Trakční napájecí a spínací stanice V trakčních napájecích stanicích je nejvíce nových technických zařízení, poprvé uplatněných v provozu ČD. Vyjmenovat lze především: zapouzdřené vvn rozvodny 110 kv firmy ABB, umístěné v prvním nadzemním podlaží budov TT vvn/vn transformátory, umístěné v krytých transformátorových komorách vnitřní provedení rozvoden 27 kv s jednopólovými vakuovými vypínači SIEMENS čtyřkvadrantové elektroměry pro měření odběru elektřiny od REAS plynule regulovatelná filtračně-kompenzační zařízení (FKZ) jednofázové trakce přívodní vedení 110 kv ve správě ČD rychlovypínače Sécheron distribuovaný řídící systém kontroly a řízení (SKŘ) pro lokální řízení TNS 2.1 Specifikace napájecího systému Pro napájení trakčního vedení na trati Brno - Česká Třebová byly vybudovány tři trakční napájecí stanice (TNS) a dvě spínací stanice (SpS): trakční transformovna (TT) Blansko trakční transformovna (TT) Svitavy trakční měnírna (TMR) Opatov jednofázová spínací stanice Maloměřice jednofázová spínací stanice Letovice Na rozhraní obou trakcí ve Svitavách nebylo možné získat územní rozhodnutí pro výstavbu kombinované napájecí stanice. Důvodem byly zejména obavy z ohrožení vysokotlakého a středotlakého rozvodu plynu v městské aglomeraci působením zpětných proudů stejnosměrné trakce. Proto bylo přijato takové atypické řešení, že stejnosměrná část původně navrhované kombinované napájecí stanice byla vysunuta do Opatova, kde již ohrožení systému plynovodů nebylo pokládáno za kritické. Ponecháním transformace 110/22 kv ve společné rozvodně ČD 110 kv TT Svitavy a řešením napájení TMR Opatov kabelovým vedením 22 kv ve správě a provozu ČD byly pak pro ČD zajištěny výhody připojení a tarifů za odebranou elektřinu na úrovni vvn i pro TMR Opatov. Trakční transformovny a spínací stanice určené pro napájení úseku trati Brno - Svitavy jsou ústředně řízeny z elektrodispečinku Českých drah (EDČD) Brno. Vývody napájecích kabelů 22 kv pro TMR Opatov na TT Svitavy a celá TMR Opatov jsou ústředně řízeny a ovládány z EDČD v České Třebové. 2.2 Hlavní zásady řešení TT Rozvodna 110 kv Řešení rozvoden 110 kv je v podmínkách ČD zcela nové a unikátní a není běžně používáno ani v podmínkách rozvodných energetických akciových společností (REAS). Na obou TT (Blansko, Svitavy) je z ekologických a rozměrových důvodů použit zapouzdřený rozváděč se jmenovitým napětím 123 kv s vnitřní izolací plynem SF 6 (hexafluorid síry) firmy ABB, typu ELK-O. Uspořádání rozvoden je dvouřadé s jedním systémem podélně dělených přípojnic ( H ) se čtyřmi vypínači se zhášecím médiem SF 6 na známém principu. Přechod z venkovního vedení do rozvodny je řešen pomocí průchodek SF 6 - vzduch. V těsné blízkosti vstupních průchodek 110 kv, vně objektu, jsou instalovány svodiče přepětí. Olejové transformátory jsou na straně 110 kv připojeny pomocí zapouzdřených vodičů průchodkami v provedení olej - SF 6. SF 6 isolované zapouzdřené rozvodny (GIS) mají ve srovnání se stávajícími venkovními rozvodnami 110 kv jen velmi malé požadavky na zastavěný prostor. Zapouzdřený rozváděč 123 kv je v obou případech umístěn v 1. patře budovy a v přízemí je umístěna rozvodna 27 kv s kabelovými vývody na trakční vedení (TV). Provozní bezpečnost zapouzdřených rozvoden isolovaných SF6 nepodléhá vnějším vlivům jako je znečištění, vlhkost atp. Rozvodny proto mají nepatrné nároky na údržbu a při normálních pracovních a provozních podmínkách je lze pokládat za prakticky bezúdržbové. 26

10 Zapouzdřená rozvodna firmy ABB 110 kv v TT Svitavy Stanoviště transformátorů, trakční transformátory Stanoviště transformátorů jsou řešena jako dvě kryté, vzájemně oddělené transformátorové komory pro olejové transformátory. země. V každé komoře je záchytná havarijní jímka na 100 % objemu oleje transformátoru. Z důvodu použití nádobových ochran (Chevaliérovo relé) je provedeno odizolování transformátorů od V TT Blansko jsou instalovány dva a v TT Svitavy jeden jednofázový regulační trakční transformátor výrobce Škoda ETD Plzeň s.r.o., výkon 10/12,5 MVA (bez ofukování / s ofukováním) s převodem 110 ± 8 x 2% / 27 kv, frekvence 50 Hz. Jmenovité proudy 113/463 A. Nádoba transformátoru je zvonové konstrukce. Magnetický obvod je dvoujádrového provedení z transformátorových za studena válcovaných plechů s keramickou isolací, složených přeplátovaně při střihu 45. Vinutí je hliníkové z plochých izolovaných vodičů OCPN. Chlazení je řešeno samostatnou radiátorovou baterií do výkonu 10 MVA jako přirozené, nad 10 MVA s ofukováním radiátorů ventilátory. Řízení ofukování je automatické v závislosti na teplotě oleje transformátoru. Odbočky jsou řešeny na vinutí 110 kv s přepínačem pod zatížením. Řízení regulace je umožněno ústředně z EDČD, dálkově z dozorny, místně tlačítky ze skříně motorového pohonu a nouzově ručně klikou u motorového pohonu. Transformátor je vybaven dvěma dilatačními nádobami - pro dilataci oleje v transformátoru (je umístěna na chladící baterii) a pro dilataci oleje v nádobě přepínacího zařízení (umístěna na nádobě transformátoru). Transformátor je navržen tak, že mezi revizemi snese 200 zkratů proti zemi ve vzdálenosti 1 km od napájecí stanice. Pro napájení trakční měnírny Opatov je v jedné transformátorové komoře TT Svitavy instalován třífázový regulační transformátor typu 9 ER 27 M-7 výrobce Škoda ETD Plzeň s.r.o. s výkonem 10/10/(3,15) MVA s převodem 110 ± 8 x 3% / 23 / (6,3) kv, frekvence 50 Hz, skupina spojení Ynyn0/(d). Magnetický obvod transformátoru je tříjádrový z orientovaných plechů s keramickou izolací, šikmé řezy. Vinutí měděné. Chlazení přirozené olejové v radiátorech na nádobě. Přepínání odboček pod zatížením na vinutí 110 kv, CFVV, reverzace. CFVV znamená, že napětí v odbočkovém vinutí je konstantní od odbočky k odbočce. Řízení regulace je ústředně z EDČD, dálkově z dozorny, místně tlačítky ze skříně motorového pohonu a nouzově ručně klikou u motorového pohonu. Konstrukce nádoby je na plné vakuum, což zajišťuje vysokou olejotěsnost. Ve spojovacím potrubí mezi nádobou transformátoru a dilatační nádobou je umístěn termohydraulický uzávěr, omezující nežádoucí cirkulaci oleje mezi strojem a dilatační nádobou. Dilatační nádoba je rozdělena na zvláštní prostor pro olej a vzduch z nádoby transformátoru a zvláštní prostor pro olej a vzduch z přepínače odboček. Transformátor je opatřen epoxidovým nátěrem a radiátory jsou žárově zinkovány. 27

11 2.2.3 Rozvodna 27 kv V obou TT je R 27 kv realizována jako jednořadová vnitřní kobková rozvodna. V případě TT Blansko je tvořena 11 kobkami, nevýkonově dělená na tři části. Ze střední přípojnice je připojen jednofázový transformátor vlastní spotřeby (TVS). Rozvodna 27 kv v TT Svitavy je tvořena čtyřmi kobkami. V přední části kobek je instalován vakuový jednopólový vypínač, jeden nebo dva odpojovače (dva v kobkách napáječových vývodů), přístrojový transformátor proudu přístrojové transformátory napětí chráněné vn pojistkami a ovládací skříň. Pohony všech spínacích přístrojů VN jsou elektromotorické Jednopólové vakuové vypínače SIEMENS Jako základní výkonový prvek rozvoden 27 kv v TT i v SpS byly poprvé u ČD použity jednopólové vakuové vypínače firmy SIEMENS, typ 3AH4784-3RE44-OEC-Z. (Byly vybrány až v situaci, že původně první vybranou nabídku vakuových vypínačů Škoda Plzeň nebylo v termínu výstavby reálné uskutečnit.) Jedná se o kvalitní jednopólový vakuový vypínač vnitřního provedení pro jmenovité napětí 27,5 kv, jmenovitý proud 1600 A a jmenovitý vypínací proud 25 ka. Konstrukce vypínače sestává ze sériového motorového střadačového pohonu, na kterém je upevněno zhášedlo pomocí epoxidových podpěrných izolátorů. Zhášení elektrického oblouku probíhá následovně: Po rozpojení kontaktů vzniká průchodem vypínaného proudu elektrický oblouk, který vyvine kovové páry z kontaktů. Přes takto vzniklé plazma protéká proud až do následujícího průchodu nulou. Elektrický oblouk zanikne v blízkosti průchodu proudu nulou, přičemž vodivé kovové páry kondenzují v průběhu několika milisekund na kovových plochách, a tím se velmi rychle obnoví izolační pevnost vypínací dráhy. Při vypínáni velkých proudů je nutno zamezit lokálnímu přehřívaní kontaktů. To je zajištěno zvláštní konstrukcí kontaktů, které při vzniku elektrického oblouku vytvářejí průchodem proudu magnetické pole, jehož vlivem oblouk rotuje po ploše kontaktu. Intenzita deionizace prostoru mezi kontakty je tak velká, že může dojít k přerušení proudu ještě před jeho průchodem nulou (tzv. proud utržení). To může vést vlivem indukčností a kapacit spínaného obvodu ke vzniku přepětí. Pro správné vypnutí a zamezení vzniku přepětí je nutné udržet oblouk mezi kontakty co nejdéle, nejlépe až do průchodu nulou. Použitím speciálních materiálů a geometrie kontaktů byl u zhášedel SIEMENS dosažen proud utržení menší než 4-5A a ke vzniku přepětí nedochází. U vakuového vypínače není elektrický oblouk ochlazován a plazma kovových par má vysokou elektrickou vodivost. Výsledkem je velmi malé napětí oblouku o hodnotách od 20 do 200 V. Z těchto důvodů a z důvodu krátkých časů hoření oblouku je energie ve vypínací cestě velmi malá. To je základem dlouhé elektrické životnosti zhášedla. Zhášedlo - vypínací trubice - se skládá ze střední ocelově pokovené spínací komory se symetrickým keramickým izolátorem. Tato sestava skýtá četné praktické přednosti. Průměry kontaktů a přívody proudů jsou spolu se spínací komorou a izolátory optimalizovány. Tím byla dosažena úzká konstrukce komory, což umožňuje konstrukci prostorově úsporných vypínačů. Obloukové teplo, vzniklé rozpínáním spínáním, je rozptýleno do okolí prostřednictvím chromniklové ocelové stěny komory. Natvrdo do spínací příruby zaletované izolátory jsou z hliníko-oxidační keramiky a zaručují trubici trvale dobré izolační hodnoty a vysokou mechanickou pevnost. Kontakty jsou souměrné uspořádány ve vakuovém hermeticky uzavřeném prostoru s podtlakem 10-9 barů. Kovový vlnovec, přivařený mezi pohyblivý kontakt a víčko zhášedla, umožňuje zdvih pohyblivého kontaktu a zajišťuje utěsnění. Zhášedlo neobsahuje žádné pryžové těsnění. V důsledku vysoké dielektrické pevnosti a rychlé regenerace vakuové vypínací dráhy je dostačující zdvih několik málo milimetrů. Z těchto důvodů vyžadují tyto vakuové trubice pouze malou obslužnou energii a mají dlouhou životnost bez údržby Rozvodna 22 kv Pro napájení TMR Opatov je v TT Svitavy instalována rozvodna 22 kv, která zároveň obsahuje vývod pro TVS 22/0,4 kv, 100 kva. Je použit typový skříňový rozváděč firmy ABB-EJF Brno s vakuovými vypínači VD 4, sestavený ze čtyř skříní. Vypínače jsou umístěny na výsuvném vozíku s roubíkovými kontakty. Vysunutím vozíku je řešeno odpojení hlavního silového obvodu. Skříně jsou vybaveny zábleskovou ochranou HZO. Přístroje pro ovládání, signalizaci, měření a jištění se nacházejí v přístrojových skříních, které jsou součástí rozváděče Systém kontroly a řízení TT (SKŘ) Pro ovládání, řízení, měření a ochrany byl na návrh ŽS Brno až v průběhu výstavby projednán a aplikován decentralizovaný řídící systém pro řízení technologie napájecích stanic (DŘS). Jedná se o řešení a 28

12 dodávku ŽS Brno, a.s. ve spolupráci s firmou MICROSYS s.r.o. DŘS je použit pro řízení technologie obou TT kromě zapouzdřených rozvoden 110 kv. Navržený systém přinesl náhradu původního pevného vydrátování povelových, signálních a ochranných funkcí datovou komunikací mezi mikroprocesory (INCOS) v jednotlivých kobkách a jednotkou technologie ústředního řízení z EDČD na podružné stanici (RTU 200 ABB). DŘS se obecně skládá ze dvou úrovní: Procesní úroveň začleněná přímo do skříní technologického zařízení. Dispečerská úroveň instalovaná v dozorně napájecí stanice - slouží jako doplňkový informační systém pro údržbu a obsluhu TNS. V technologii TNS je tato úroveň aplikována jako nadstavba pro řízení technologie z jednoho místa. Při ústředním řízení z EDČD není tato úroveň nutná k zajištění provozu. Systém DŘS přebírá kontrolu nad technologickým zařízením, v případě přítomnosti obsluhy na TNS zajišťuje informovanost obsluhy prostřednictvím volitelných monitorových snímků a umožňuje ovládání zařízení prostřednictvím PC. Ve všech režimech se uskutečňuje kontrola oprávněnosti a proveditelnosti jednotlivých manipulací. O všech signalizacích a funkcích (stavech) technologického zařízení je průběžně pořizován podrobný protokol včetně zásahů obsluhy. Současně DŘS zajišťuje archivaci naměřených hodnot s možností zobrazování trendů na obrazovce a umožňuje jejich tisk na tiskárně. Technické prostředky dispečerské úrovně jsou tvořeny jedním PC se zvýšenou spolehlivostí, na kterém jsou kumulovány funkce koordinačního počítače pro TNS a dále systém komunikace člověk - počítač s rozhraním pro zajištění přenosu informací pro obsluhu. Aplikace na PC pro řízení a vizualizaci technologie je vytvořena v softwarovém systému PROMOTIC. Procesní úroveň se skládá ze dvou typů zařízení: Vývodové terminály (INCOS), což jsou programovatelné automaty, pro které je možné vytvořit uživatelský software. Vývodové terminály jsou určeny pro sledování a ovládání silových obvodů rozvoden, trafostanic a měníren. Vstup/výstupní moduly - slouží jako rozšiřující moduly ke sběru dat. Komunikace mezi procesní úrovní a systémem ústředního řízení RTU 200 je realizována pomocí sběrnice CAN. Počítač dispečerské úrovně je připojen přímo do systému RTU 200 a využívá data přenášená pro ústřední ovládání. DŘS tak umožňuje místní ovládání jednotlivých polí (kobek) TNS, dálkové ovládaní z dozorny a ústřední řízení (centrální) z EDČD. Místní ovládání je umožněno přímo ovládacími prvky na dveřích ovládacích skříní. Signalizace je provedena signálkami a ukazateli stavu. Funkčnost tohoto ovládání je podmíněna přepnutím přepínače na skříni do režimu místně. Je-li tento přepínač v poloze dálkově, je technologie ovládána z dozorny nebo ústředně z dispečinku. Povolení (předvolba) ústředního řízení se provádí přes klávesnici PC v dozorně TNS. Signalizace stavu jednotlivých prvků je na dozorně provedena pomocí volitelných obrazů na obrazovce PC. DŘS umožňuje nejen okamžitý přehled o aktuální situaci na TNS a přehled o poruchách, ale pomocí deníku událostí je možno zkoumat historii stavů a spínacích pochodů. Kromě toho jsou k dispozici také trendy naměřených analogových hodnot. Toto vše lze prohledávat a třídit na obrazovce a tisknout na tiskárně. Pro měření elektrických veličin v TNS je využito měřících transformátorů proudu a napětí (MTP a MTN). Z jejich sekundárních vinutí jsou přivedeny naměřené hodnoty na vstupy řídícího systému, kde jsou převedeny do digitální formy a dále zpracovávány (od zobrazování, přes archivaci až po předání informací pro dálkové ovládání). Pro ochranu silových elektrických obvodů a zařízení jsou využity standardní ochrany připojené měřícími obvody na MTP a MTN. Tyto ochrany jsou svými výstupy zapojeny přímo do vypínacích obvodů jednotlivých vypínačů. Informace o působení ochran jsou přiváděny na vstupy DŘS. Pomocné funkce jako např. OZ (opětné zapnutí) jsou řešeny programovým vybavením. Ústřední řízení je realizováno obdobně jako pro ostatní napájecí a spínací stanice a železniční stanice v obvodu EDČD Brno technologii RTU 200, která zajišťuje přenos dat na dispečink, kde jsou dále zpracovávána a zobrazována. 2.3 Hlavní zásady řešení TMR Opatov Měnírna je napájena dvěma kabelovými vedeními 22 kv z TT Svitavy. Veškeré technologické zařízení je instalováno v budově měnírny, řešené jako přízemní objekt. Ve strojovně je umístěn skříňový rozváděč 22 kv, dvě kobky usměrňovačů a transformátorů, kobky pro reaktor a stejnosměrný rozváděč s vývody na TV. Minus pól je vyveden přímo z kobek usměrňovačů do samostatné kobky. Další část budovy je určena jako prostor pro skříňové rozváděče, kobku TVS a akumulátorovnu. 29

13 Za normálního provozního stavu spolupracuje měnírna dvěma napáječi s měnírnou v České Třebové. Druhými dvěma napáječi je koncově napájen ve směru na Brno úsek k neutrálnímu poli za žst. Svitavy. Všechny čtyři napáječe jsou vybaveny vazbou napáječů a automatikou opětného zapínání (OZ) Rozvodna 22 kv Rozvodna je stejného typu jako vývodová R 22 kv v TT Svitavy. Jedná se o skříňový rozváděč firmy ABB-EJF Brno s vakuovými vypínači VD 4, sestavený z pěti skříní Trakční transformátory Trakční transformátory jsou umístěny uvnitř budovy ve dvou kobkách společně s usměrňovači. Jsou použity třífázové vzduchové speciální usměrňovačové transformátory o výkonu 5300 kva, spojení Yyn0/d1, s třídou zatížení VI, výrobce ČKD Elektrotechnika. Každý transformátor je vybaven čtyřmi ventilátory pro chlazení. Chod ventilátorů je ovládán regulátorem PES. Další výstup z regulátoru signalizuje přehřátí transformátoru a vypíná usměrňovač Usměrňovače Kobky usměrňovačů jsou od stání transformátorů odděleny pouze částečnou mezistěnou. V každé kobce jsou umístěny dva rámy křemíkového usměrňovače osazené pastilkovými diodami (ve větvích jsou tři diody v sérii) a přepěťová ochrana typu UZP 101. Jmenovité napětí 3300 V, proud 1500 A ve třídě VI, výrobce ČKD Elektrotechnika. V kobce je umístěn také odpojovač minus pólu s elektrickým pohonem. Vzduchové omezovací tlumivky 4 mh jsou v samostatných kobkách, zapojeny v plus pólu a dimenzovány na 1750 A Stejnosměrný rozváděč Stejnosměrný rozváděč tvoří pevná část s hlavní přípojnicí plus pólu a odbočky, které jsou realizovány jako spínací členy na výsuvných vozících. Vysouvání a zasouvání je ruční, nožové kontakty nahrazují odpojovače. Celkem je v rozváděči sedm vozíků. Dva s odpojovačem plus pólu, pohon 110 V DC, jeden jako spojka-můstek, čtyři vozíky s napáječovým rychlovypínačem typu Sécheron UR 36, jmenovité napětí 3300 V, ovládací obvody 110 V DC, pohon RV 110 V DC. Pátý typový vozík s rezervním rychlovypínačem je navíc v poloze mimo rozváděč. Ovládání rozváděče 3 kv DC je centralizováno do skříně MAN, která zabezpečuje tyto funkce : zapnutí a vypnutí rychlovypínače (RV) zapnutí a vypnutí vazby napáječů vypnutí RV pomocí zemní ochrany volbu řídícího napáječe pro OZ přepínání místně/ústředně opětné zapnutí RV v závislosti na stavu smyčky (vazba napáječů) a na napětí v trolejovém vedení zablokování OZ po neúspěšném zapnutí měření proudu přes RV místní a dálkovou signalizaci: stavu RV, vazby napáječů, napětí v trolejovém vedení, řídícího RV, působení proudové ochrany. Pro funkci vazby napáječů a OZ je použit programovatelný automat od firmy TECO Kolín, typ TECOMAT NS 950 RAPID Rychlovypínače Sécheron UR 36 je stejnosměrný jednopólový rychlovypínač s elektromagnetickým ovládáním a přirozeným chlazením. Tento rychlovypínač je konstruován tak, aby reagoval velmi rychle po dosažení nadproudu s bezprostředním zahájením zhášení oblouku při relativně konstantním přepětí po celou dobu jeho trvání. Mezi hlavní výhody těchto rychlovypínačů v ČR dodávaných firmou Sécheron Tchequie, s.r.o. patří: vysoká hodnota izolace vůči zemi 30

14 vysoká vypínací schopnost dlouhá životnost jednoduchá údržba 2.4 Měření spotřeby elektřiny a kompenzace účiníku Dodavatelem elektrické energie jsou v současnosti běžně instalovány nové měřící soupravy pro měření spotřeby elektřiny (elektroměry). Dosavadními elektroměry byla měřena činná energie, jalová indukční energie a čtvrthodinové maximum (kw). Klasický jalový elektroměr v případě kapacitního účiníku stojí na brzdě, a tedy nic nezaznamenává. Nové měřící soupravy, tzv. čtyřkvadrantové, jsou vedle měření čtvrthodinového maxima schopny měřit odběr a dodávku činné energie a současně měřit jalovou induktivní i kapacitní energii. Vyhodnocení měření samostatně obsahuje hodnoty účiníku a hodnoty nevyžádané dodávky kapacitní jalové energie. To dodavateli elektřiny umožňuje současně v jednom měsíci účtovat jak přirážku za nedodržení spodní hranice induktivního účiníku 0,95, tak i platbu za nevyžádanou dodávku kapacitní jalové energie. Protože elektroměry jsou v rozvodně dodavatele elektřiny (REAS) před vývodem příslušného vedení, je nutno počítat při provozu a měření spotřeby i s kapacitním vlivem těchto vedení. To je zcela nová zkušenost. Podle současné legislativy zůstávají totiž u nových staveb elektrické přípojky v majetku (správě) toho, kdo uhradil jejich vybudování a ČD mají tedy ve správě přípojná vedení 110 kv u obou nových TT. Vzhledem k charakteru spotřeby elektrické trakce (zejména u jednofázové soustavy 25 kv 50 Hz při použití současných typů jednofázových a dvousystémových lokomotiv) to vede k nutnosti budovat na TNS náročná regulovaná filtračně-kompenzační zařízení (FKZ) Účiník Zákon č. 222/1994 Sb. (tzv. Energetický zákon) v 15 v odstavci 4 b) přikazuje odběrateli odebírat elektřinu s hodnotou induktivního účiníku 0,95 až 1,00, pokud se dodavatel s odběratelem nedohodnou jinak. V současně platném Cenovém věstníku č. 01/1999 jsou pak uvedeny maximální ceny a určené podmínky pro odběr elektrické energie. Maximální ceny elektřiny vycházejí z toho předpokladu, že odběr elektřiny je uskutečňován trvale při induktivním účiníku cos ϕ = 0,95 až 1,00. Jen ve výjimečných předem stanovených případech nebo v případech povolených dodavatelem elektřiny lze beztrestně uskutečnit odběr při účiníku s jinými hodnotami. Požadavek odběru při induktivním účiníku cos ϕ = 0,95 až 1,00 vychází ze zajištění technické bezpečnosti provozu elektrizační soustavy Přirážky Pokud závazná hodnota účiníku není odběratelem dodržena, zaplatí dodavateli cenovou přirážku na zvýšení ztrát v elektrizační soustavě, které svým odběrem jalové energie ze sítě způsobil, a také za případnou nevyžádanou dodávku kapacitní jalové energie, se kterou se v soustavě nepočítalo, a kterou čtyřkvadrantové elektroměry již umí měřit. Přirážka k základní ceně elektřiny za nedodržení stanoveného rozmezí účiníku (0,95-1 induktivní) se účtuje pouze odběratelům kategorie A a B (to jsou odběratelé, kteří odebírají elektřinu z napěťových hladin vvn a vn). Odběratelé kategorie C (odběr z napěťové hladiny nn) přirážku neplatí. Uplatnění cenových přirážek se projevuje následujícím způsobem: Přirážka za nedodržení spodní hranice rozmezí induktivního účiníku Hodnota účiníku se stanoví z měsíčních naměřených hodnot induktivní jalové energie v kvarh a činné energie v kwh. Z těchto hodnot se vypočte tangenta a následně cos ϕ (účiník). Pokud se cos ϕ pohybuje v závazných mezích, platí odběratel jen činnou energii. Pokud je však takto vypočítaný účiník pod spodní hranicí rozmezí, zaplatí odběratel dodavateli cenovou přirážku, která se stanoví v procentech platby za výkon (kw) a za elektrickou energii (kwh). Procento se stanovuje podle skutečně dosaženého účiníku z tabulky v seznamu maximálních cen. Přirážka za nevyžádanou kapacitní jalovou energii Jedná se o platbu za naměřenou dodávku kapacitní jalové energie produkované odběratelem, se kterou se v rozvodné síti dodavatele nepočítalo. Lze ji měřit zvláštním 31

15 elektroměrem dodavatele a rozvodný elektrický podnik je pak oprávněn k vyčíslené ceně za činnou elektrickou energii účtovat ještě přirážku 0,44 Kč za každou naměřenou nevyžádanou kvarh. 2.5 Filtračně kompenzační zařízení (FKZ) Střídavá jednofázová trakční proudová soustava 25 kv, 50 Hz byla původně navržena pro méně zatížené tratě ČSD. Výhodnost byla spatřována hlavně v menším průřezu trakčního vedení a především v jednoduchosti trakčních napájecích stanic. Ze strany dodavatele elektrické energie (tehdy také státní organizace stejně jako ČSD) byla uplatňována pouze podmínka, že trakční výkon nesmí přesáhnout 2 % zkratového výkonu v místě připojení napájecí stanice. Elektrické lokomotivy byly vyráběny monopolním dodavatelem ŠKODA Plzeň. Jednalo se o hnací vozidla, která používají trakční měnič na principu diodového usměrňovače s napěťovou regulací odbočkami na trakčním transformátoru. Těchto hnacích vozidel bylo dodáno velké množství a jsou provozována dodnes. Novější dvouproudové lokomotivy mají již pulzní měnič, ale princip usměrnění je stejný jako u lokomotiv klasických. Z hlediska elektromagnetické kompatibility tato vozidla dosahují účiník odebíraného výkonu okolo hodnoty 0,83 a časový průběh odebíraného proudu je značně deformován všemi lichými harmonickými. Pro odstranění vlivů hnacích vozidel na síť dodavatele elektřiny jsou dnes po dlouhém vývoji vybavovány trakční transformovny plynule regulovatelnými filtračně - kompenzačními zařízeními. Při daném spektru proudu odebíraného hnacími vozidly nelze kompenzovat jejich nevyhovující účiník použitím neblokovaného kondenzátoru. Několika provozními pokusy bylo zjištěno, že takový neblokovaný kondenzátor v TNS je proudově přetěžován vlivem nesinusového časového průběhu napětí na TV. Jeho impedance pro harmonické je totiž nepřímo úměrná frekvenci příslušné harmonické. To v začátcích vedlo k destrukci kondenzátorů i vlivem proudových špiček vznikajících v období komutace proudu vozidlového trakčního usměrňovače. Z toho důvodu ČSD přikročily ke koncepci, kdy kondenzátor je doplněn sériově zapojenou tlumivkou a vytvoří se tak LC větev. Vhodným naladěním lze tuto LC větev použít současně i pro filtraci některé z harmonických. Vlastní FKZ se obvykle skládá ze dvou paralelně připojených LC větví naladěných těsně pod 150 Hz a na 250 Hz. Z hlediska návrhu ladění a dimenzování LC větví je podstatné, jaký díl proudových harmonických produkovaných hnacími vozidly se uzavře přes LC větve FKZ a jaký díl postoupí dále do sítě dodavatele a způsobí tam na její impedanci vznik napěťových harmonických. Problém pro dimenzování prvků FKZ může nastat při ostrém ladění, kde LC větve mohou být zatěžovány také odpovídající harmonickou přicházející ze sítě dodavatele. Mnohými měřeními bylo dokázáno, že síť dodavatele obsahuje značný podíl harmonických (včetně 3. harmonické) a jednofázová trakce ČD není jediným původcem těchto harmonických. Zmíněné dvě větve musí být ještě doplněny další paralelní větví zabraňující překompenzaci TNS v době malého trakčního odběru, aby nedocházelo k nežádoucí dodávce nevyžádané kapacitní práce do sítě dodavatele elektřiny. Tato větev obsahuje snižovací transformátor, dekompenzační tlumivku a statický regulátor. Větev musí být schopna dekompenzovat nejen kapacitu FKZ, ale v potřebném rozsahu i kapacitu přívodního vedení ve správě ČD a kapacitu připojeného trakčního vedení. Celé FKZ je připojeno přes vypínač na přípojnice 27 kv trakční transformovny. Větev pro 5. harmonickou a větev dekompenzační jsou vybaveny odpojovači. Větev pro 3. harmonickou je bez odpojovače, protože nesmí být odpojena, pokud má být v provozu větev 5. harmonické. V poslední době předkládají dodavatelé elektrické energie kvantifikovaný požadavek na zajištění jisté hodnoty impedance celé TT pro kmitočet HDO - hromadného dálkového ovládání (216,7 Hz), aby byl omezen útlum signálu HDO. Z tohoto důvodu je nutno navrhovat kapacity kondenzátorových skupin obou LC větví tak, aby frekvence paralelní rezonance obou sériových rezonančních větví LC padla do blízkosti pracovního kmitočtu HDO. Po zveřejnění požadovaných hodnot impedance je pak možno na nově budovaných TNS tomuto požadavku dodavatele elektrické energie optimálně vyhovět. České dráhy řeší filtrací a kompenzací na trakčních transformovnách problémy svých současných elektrických hnacích vozidel. V západních zemích se FKZ v napájecích bodech jednofázové trakce běžně nebudují. Kvalita odběru elektřiny je tam základní podmínkou pro moderní lokomotivy a FKZ nejsou potřebná. 32

16 Filtračně kompenzační zařízení v TT Svitavy 3. Trakční vedení V celém úseku tratě Brno - Česká Třebová byly použity inovované řetězovkové sestavy trakčního vedení J a S se všemi současnými moderními prvky. Trakční vedení obou sestav úspěšně rozvíjí, dodává a montuje Elektrizace železnic Praha a.s. Ukolejnění je řešeno s uplatněním ukolejňovacích lan (na zhlavích železničních stanic) a opakovatelných průrazek. Některé zcela nové prvky a technologie jsou uvedeny v následujících odstavcích. 3.1 Základy trakčních podpěr V úseku Rájec - Jestřebí byla poprvé u ČD použita technologie montáže základů trakčních stožárů pilotováním. Na jehlanových piloty se svorníky byly pak namontovány trakční podpěry s přírubou. Souprava umožňovala pilotáž pouze na tratích bez trolejového vedení. Zařízení pro pilotáž pod trolejovým vedením nebylo možno ověřit vzhledem k nutnosti provedení náročných zkoušek pro souhlas s jízdou po tratích ČD. Jako základní však nadále zůstaly hloubené základy, avšak s kvalitnější betonovou směsí B Izolátory Na celém úseku byly v maximální míře montovány plastové tahové izolátory, a to v závěsech trolejového vedení, ve směrových lanech a v kotvení. Jedná se o izolátory Reliable americké firmy Mc. Lean typu Fibrelink, u nichž jako nosná část slouží kevlarová vlákna a izolační vlastnosti jsou dány silikonovou kompozitní hmotou, kterou je vytvořen povrch a stříšky izolátoru. Tyto izolátory jsou ve světě v provozu již více než 30 let v náročných přímořských podmínkách se slaným spadem. U ČD jsou používány od roku Izolátory jsou lehké konstrukce (hmotnost asi 0,5 kg) a vzhledem k chemickým vlastnostem (hydrofóbnost) mají vynikající elektrické vlastnosti ve vlhku i ve znečištěném prostředí. 3.3 Izolovaná lana V konstrukci TV pod nadjezdy a v tunelech byla použita technologie (izolovaný program) francouzské firmy Spie Batignolles. Jde o nosné lano pokryté izolační vrstvou s izolovanými věšáky a speciálními izolovanými věšákovými svorkami pro tato lana. Vzhledem k tomu bylo možné zkrátit vzdálenosti nosného lana TV od umělých staveb na minimum. Současně se tak omezil vznik poruch v důsledku zkratů způsobených těly ptáků nebo ledovými rampouchy v zimním období. 3.4 Úsekové děliče 33