Inovace paralelních KO s izolovanými styky. Ing. Jiří Konečný, Ph.D., Starmon s.r.o. Ing. Petr Hloušek, Ph.D., ZČU

Transkript

1 Inovace paralelních KO s izolovanými styky Ing. Jiří Konečný, Ph.D., Starmon s.r.o. Ing. Petr Hloušek, Ph.D., ZČU

2 Obsah prezentace: Aplikace přepěťových ochran v PKO Nové zapojení detekční části PKO se stykovými transformátory a izolovanými styky Přehled dalších inovací Nové funkce programu TC_Designer (od roku 2013)

3 Aplikace přepěťových ochran v PKO Chráněný objekt: Paralelní kolejový obvod s úrovní integrity bezpečnosti (SIL) 4 Přepěťová ochrana: prvek s úrovní integrity bezpečnosti SIL 0 výjimka (?) jiskřišťová bleskojistka s uzavřeným / otevřeným jiskřištěm - za určitých podmínek se neuvažuje zkrat ani svod podle způsobu použití neuzemněná / uzemněná

4 Aplikace přepěťových ochran v PKO Dva základní bezpečnostní požadavky: Žádný uvažovaný, ojedinělý, náhodný poruchový stav PO nesmí být pro funkci PKO nebezpečný. Pokud by některá první uvažovaná, náhodná porucha PO mohla být v kombinaci s druhou uvažovanou, náhodnou poruchou PO nebezpečná, pak musí být první náhodná porucha detekována a negována dostatečně včas, aby výsledná HR < THR pro SIL 4. Poznámka: První základní bezpečnostní požadavek je kvalitativní, druhý je kvantitativní.

5 Aplikace uzemněných PO v PKO Omezovače přepětí - uvažované druhy náhodných poruchových stavů dle tab. C.7 normy ČSN EN 50129: 1) Potenciálně nebezpečné poruchy pro funkci PKO zkrat, zkrat na vodivé pouzdro zvýšení svodového proudu snížení omezovacího / průrazného napětí 2) Ostatní druhy náhodných poruchových stavů přerušení zvýšení omezovacího / průrazného napětí

6 Aplikace přepěťových ochran v PKO Znázornění různých izolovaných soustav a hypoteticky uvažovaných zkratů a svodů v jednom PKO (příklad)

7 Aplikace přepěťových ochran v PKO Základní teze týkající se bezpečnosti použití uzemněných přepěťových ochran ve výstroji PKO: 1) Pokud dojde k jednopólovému propojení různých izolovaných soustav mezi sebou, napěťové poměry se ani v jedné z nich nezmění. 2) K dvou nebo více pólovému propojení různých izolovaných soustav přes jednu zem prokazatelně nemůže dojít. 3) Při signálním kmitočtu KO 75 / 275 Hz je kapacita mezi dvěma různými izolovanými soustavami zanedbatelná.

8 Aplikace přepěťových ochran v PKO Zásady bezpečného použití neuzemněných PO: 1) Neuzemněnou PO lze připojovat k výstroji KO pouze napříč, tzn. v jednom místě signální cesty KO, mezi dvěma různými póly. 2) Při splnění požadavku Ad 1) je počet neuzemněných PO ve výstroji PKO neomezený. Důvody: Kvalitativně zabránit vzniku podélných zkratů a svodů (tj. obchozích cest) uvnitř jedné izolované soustavy (IS) přes vlastní PO.

9 Aplikace přepěťových ochran v PKO Zásady bezpečného použití uzemněných PO: 1) Také uzemněnou PO lze zapojovat pouze napříč, tzn. v jednom místě signální cesty KO, mezi dvěma póly a zemí. 2) Pokud je u daného typu PO zkrat / svod uvažovaná náhodná porucha PO, pak platí, že v jedné izolované soustavě lze použít pouze jednu uzemněnou přepěťovou ochranu. Důvod: Kvalitativně zabránit vzniku obchozích cest uvnitř jedné IS přes různé PO a zem. 3) Pokud se u daného typu PO zkrat / svod neuvažuje a je splněna zásada Ad 1), pak je počet uzemněných PO v jedné izolované soustavě neomezený.

10 Aplikace přepěťových ochran v PKO I při respektování uvedených zásad použití uzemněných PO, i bez použití uzemněných PO, v PKO existuje určité reziduální riziko nežádoucího propojení různých izolovaných soustav v důsledku zkratu / svodu potenciální nebezpečí. Minimalizace reziduálního rizika: Trvalé nebo periodické monitorování izolačních stavů. (kvantitativní omezení rizika) a / nebo Použití speciálních typů PO, u kterých se zkrat / svod pracovních pólů proti zemi, za určitých podmínek, neuvažuje. (kvalitativní omezení rizika) Příklad: Bleskojistka s otevřeným jiskřištěm FLA-300/301 (AŽD)

11 Aplikace přepěťových ochran v PKO Otázka k širší diskuzi: Je použití (regenerovatelných) průrazek v EKÚ dvoupásového PKO bezpečné z pohledu detekce havarijního a šuntovaného stavu? Je pro tento případ nějak kvantitativně vymezena hranice akceptovatelného rizika? Je zřejmé, že při respektování všech výše uvedených zásad použití PO ve výstroji PKO je výsledné reziduální riziko ovlivnění funkce PKO výrazně nižší, než riziko ovlivnění jeho funkce související s použitím průrazek.

12 Nové zapojení detekční části dvoupásových PKO Vlastnosti klasického zapojení: Napájecí i přijímací konec dvoupásového PKO (se stykovými transformátory a izolovanými styky) si lze z pohledu EKÚ představit jako paralelní rezonanční obvod. V klasickém zapojení je mezi ST a kondenzátorovou jednotkou CN / CP zapojeno kabelové vedení a regulační rezistor RN / RP vyrovnávající odpor kabelové smyčky.

13 Nové zapojení detekční části dvoupásových PKO C N2 C P venkovní výstroj vnitřní výstroj R N R P C N1 kolejový přijímač, případně další výstroj U NA Schéma nového zapojení detekční části PKO

14 Nové zapojení detekční části dvoupásových PKO Vlastnosti nového zapojení: Také v novém zapojení platí, že napájecí i přijímací konec dvoupásového PKO si lze z pohledu EKÚ představit jako paralelní rezonanční obvod. V novém zapojení je však kondenzátorová jednotka CN2 / CP připojena paralelně přímo k doplňujícímu vinutí ST. Paralelně k těmto prvkům je pak připojena zátěž, která omezuje činitel jakosti Q rezonančního obvodu: kabelové vedení, regulační rezistor RN / RP a další výstroj vnitřní části. Čím vyšší je impedance této zátěže, tím vyšší je činitel jakosti Q.

15 Nové zapojení detekční části dvoupásových PKO Vlastnosti nového zapojení: Oproti klasickému zapojení platí, že činitel jakosti Q zmíněných rezonančních obvodů s rostoucím odporem, resp. s délkou kabelového vedení, roste zakončovací impedance ZE, Z2 lze navrhovat ve výrazně vyšším rozsahu hodnot (modul i argument). Velikost zakončovacích impedancí ZE, Z2 není odporem kabelového vedení nijak omezena! I nadále však existuje určité omezení shora, s ohledem na spolehlivost detekce volnosti PKO a velikost napájecího napětí či signálního napětí LS.

16 Nové zapojení detekční části dvoupásových PKO Výhody: Nově navržené PKO oproti klasickým vykazují vyšší šuntovou citlivost, vyšší nebo srovnatelnou citlivost na lom kolejnice a především výrazně nižší příkon (cca o 60 až 75 %). Výraznou úsporu příkonu lze využít ke zvýšení odolnosti PKO proti rušivému zpětnému proudu. Hodnota 2 A je dosažitelná i s EFCP. V žádném ze známých případů použití PKO v ČR nově není nutné sdružovat kabelové páry. Možnost využití na ABE-1 (ověřeno v TÚ Běchovice Úvaly).

17 Nové zapojení detekční části dvoupásových PKO Výhody: Výrazná úspora příkonu se týká také kódování LVZ. Poměr mezi maximálním a minimálním signálním proudem LVZ v EKÚ je oproti klasickému zapojení výrazně menší. Překročení horní meze 20 A nehrozí.

18 Nové zapojení detekční části dvoupásových PKO Nevýhody? V některých případech může napájecí kolejové napětí překročit hodnotu 230 V AC. To se týká i signálního napětí LVZ. Lze to řešit buď snížením odporu kabelových smyček a/nebo snížením převodu ST (např. z 42 na 21).

19 Nové zapojení detekční části dvoupásových PKO Dosažené výsledky u KO s EFCP, 75 Hz: KO-3520/P, DT-0,2, y = 0,67 S/km, LEKÚ = 1,6 km, kp = 1,15 UN [V] N [VA] UF-MIN [V] IR [A] RS [Ω] RNK / RPK [Ω] / 20 1,1 0,67 0, / / 75 2,2 1,31 0, / / 178 3,2 2,04 0, / 2500 KO-3120/P, DT-075, y = 0,67 S/km, LEKÚ = 1,6 km, kp = 1,15 UN [V] N [VA] UF-MIN [V] IR [A] RS [Ω] RNK / RPK [Ω] / 29 1,1 0,81 0, / / 75 1,6 1,32 0, / / 177 2,7 2,01 0, / *) 148 / 174 2,4 2,00 0, / 400 Pozn. *): Platí pro převod na ST-N 21:1 a na ST-P 1:21.

20 Nové zapojení detekční části dvoupásových PKO Dosažené výsledky s KOA1: KO-6302/P, DT-075, y = 0,67 S/km, LEKÚ = 1,6 km, kp = 1,15 UN [V] N [VA] UF-MIN [V] IR [A] RS [Ω] RNK / RPK [Ω] / 43 1,3 1,31 0, / / 113 2,4 2,06 0, / *) 111 / 128 2,7 2,07 0, / 200 Pozn. *): Platí pro převod na ST-N 21:1 a na ST-P 1:21. Možnost dalšího zlepšení parametrů PKO obecně: yb-max = 0,5 S/km zvýšení kvr na hodnotu 0,83 Lze při kv = 1,0, kp = 1,2 a kompenzaci kolísání napájecího napětí kolejové fáze.

21 Další inovace PKO Jednofázové napájení PKO s dvoufázovým kolejovým přijímačem RKO s pasivním zakončením odbočné větve, které impedančně emuluje aktivní zakončení Kódování LVZ v PKO bez stykových transformátorů Impulzní PKO odolné proti trvalému rušení

22 Implementace návrhu RKO v TC Designeru podpora pro návrh rozvětvených KO, včetně regulačních tabulek podpora topologie až se 2 odbočnými větvemi (třemi přijímači) + volné větve metoda návrhu s výběrem nejhoršího případu a možností omezujících kritérií vytvoření podkladů pro regulační tabulky původní omezení 1 konkrétní konfigurace RKO

23 TC Designer SW pro návrh KO Hlavní pracovní okno SW

24 Topologie RKO aktuálně plně podporované: Varianty výstroje odbočné větve: 1. Aktivní konec stejné jako u přímé větve 2. Volný konec bez výstroje 3. Pasivní konec 1 bez přijímače, odvod trakčního proudu 4. Pasivní konec 2 bez přijímače, bez odvodu trakčního proudu aktuálně plně podporované: 1.

25 Topologie RKO Model topologie RKO Transformace modelu pro výpočty Volný stav: kontrola vybuzení všech přijímačů Šunt. Stav: posun R š podél celého KV (i v odbočce) po 5m výběr nejhoršího případu, stačí odpad 1 přijímače

26 Problém výpočtu havarijního stavu pro RKO neexistuje vhodný model kolejového vedení Přímý KO: Koeficienty kaskádní matice A H : Problém: rozdělení dvojbranu odbočkou Současné řešení: výpočet samostatných přímých KO

27 Návrh RT pro RKO Návrh variant konfigurace topologie RKO základní rastr - 25m Obecná filosofie: 1. Umístění odboček: začátek, střed, konec 2. Délka odboček: dlouhá, střední, krátká Topologie 1 4 varianty Topologie 2 složitější max. 7 variant, závisí na délce KO Topologie 1 Vzdál. odbočky od začátku KO 0m 0m ½ délky přímé větve 25m před koncem KO Délka odbočky shodná s délkou přímé větve 25m ½ délky přímé větve 25m

28 Návrh RT pro RKO Topologie 2 Odbočka 1 Odbočka 2 Místo Délka Místo Délka 0m délka přímé v. 25m délka přímé v. - 25m 0m délka přímé v. ½ přímé větve ½ přímé větve 0m délka přímé v. 25m před koncem KO 0m 25m 25m před koncem KO ½ přímé větve ½ přímé větve ½ přímé větve + 25m ½ přímé větve ½ přímé větve 25m před koncem KO 50m před koncem KO 50m 25m před koncem KO 25m 25m ½ přímé větve - 25m 25m 25m

29 Výpočet Atestu pro RKO test bezpečného chování KO reakce na šunt, havarijní stav Simulace vlivu poruch jednotlivých prvků výstroje zkraty, přerušení, změna hodnot Budoucnost: test současného vlivu více prvků Worst case - současný vliv všech prvků Problém: velké množství výpočtů Standardní nastavení výpočtu: Aktuálně je to 50 až 100 výpočtů dle topologie WC pro RKO Top2 1,5mld. výpočtů!

30 Citlivostní analýza pro RKO test stability chování KO - volný stav Okno nastavení parametrů CA

31 Citlivostní analýza pro RKO test vlivu jednotlivých prvků výstroje test současného vlivu více prvků: Stykové transformátory Impedance Z c Kombinace pro C a R napájecí a přijímací konec Budoucnost: worst case současný vliv všech prvků! Problém: velké množství výpočtů Standardní nastavení výpočtu: Aktuálně pro RKO Top2-715 výpočtů WC pro RKO Top2 244mil. výpočtů!

32 Zobrazení výsledků CA pro RKO

33 Návrh regulačních tabulek nově: zvýšení automatizace návrhu RT Postup návrhu RT ideální případ: 1. Nastavení konfigurace a parametrů KO 2. Nastavení parametrů návrhu RT 3. Stisk tlačítka Výpočet 4. Uložení výsledků Provedeno vytvoření RT - včetně Atestu a CA pro všechny délky KO!

34 Návrh RT pro RKO Nastavení parametrů výpočtu RT pro rozvětvený KO

35 Výsledky návrhu RT pro RKO Výsledná regulační tabulka pro RKO Top 1 (v EXCELu) Problém automatického návrhu RT: Případ: Co když to nevyjde podle představ? Hledání příčiny problém hutnosti výsledků v RT Nově podpora: uložení detailních výsledků

36 Detailní výsledky výpočtu RT pro RKO Výsledky pro RKO Top 1 (v EXCELu)

37 Náročnost výpočtů Složité operace s komplexními čísly, probíhající v cyklech: goniometrické, hyperbolické fce, maticové násobení, výběr max/min z pole hodnot Použité PC Intel Core2 duo E GHz 4GB RAM 1 základní výpočet: volný, šuntovaný a havarijní stav KO Přímý KO: t 0.022s 70mil. taktů! RKO Top1: t 0.027s 86mil. taktů! RKO Top2: t 0.039s 123mil. taktů!

38 Náročnost výpočtů Standardní nastavení výpočtu RT: Přímý KO: N = t 40min. RKO Top1: N = t 52min. RKO Top2: N t 70min. Předchozí výsledky: bez atestu, citlivostní analýzy a ukládání detailních výsledků!!! Paměťová náročnost: min. 4 GB RAM! doporučení: vícefázový návrh RT

39 Děkujeme Vám za pozornost. Kontakt: