Vliv vyšších harmonických napájecích zdrojů zab. zařízení na bezpečnou funkci reléových dohlížecích obvodů žárovek světelných návěstidel

Transkript

1 Předložený příspěvek tématicky navazuje na příspěvek o názvu Bezpečné elektronické interfejsy jako náhrady relé I. skupiny bezpečnosti ze semináře K aktuálním problémům zabezpečovací techniky v dopravě V Vliv vyšších harmonických napájecích zdrojů zab. zařízení na bezpečnou funkci reléových dohlížecích obvodů žárovek světelných návěstidel 1. Úvod. Doc. Ing. Ivan Konečný CSc. ZČU Plzeň Mimo nově provozované hybridní a plně elektronické zabezpečovací systémy probíhá u starších provozovaných zabezpečovacích zařízení využívající reléové technologie inovace jejich funkčních bloků elektronickými prvky, resp. elektronickými funkčními bloky. Účelem předloženého příspěvku je upozornění na některé možné potenciálně nebezpečné stavy, které mohou nastat při neuvážených inovacích dílčích obvodů a funkčních bloků klasických reléových zabezpečovacích zařízení. V závěru příspěvku [1] z loňského semináře byly naznačeny problémy, které mohou vzniknout při inovacích původně reléových interfejsů jejich elektronickými ekvivalenty. Obdobné problémy mohou vzniknout při inovacích napájecích zdrojů, které slouží k napájení typových reléových návěstních obvodů světelných návěstidel. V další části příspěvku je stručně popsána výše naznačená problematika. 2. Napájecí a dohlížecí obvody světelných návěstidel v reléových technologiích. Koncem 50-tých let minulého století počala být v souvislosti s modernizací zabezpečovacích zařízení na hlavních tratích ČSD nasazována v masovém měřítku do provozu reléová zabezpečovací zařízení se světelnými návěstidly, kterými byly nahrazována do té doby nejrozšířenější elektromechanická zabezpečovací zařízení s mechanickými návěstidly. Tehdy zavedené typové zapojení pro napájení a bezpečné dohlížení rozsvícené návěstní žárovky je principielně naznačeno na obr.1.

2 S funkcí obvodu podle obr.1. je většina zabezpečovacích techniků seznámena, proto není dále podrobně popisována. Princip bezpečné kontroly rozsvícení návěstní žárovky je založen na detekci dvoucestně usměrněného proudu, který napájí návěstní žárovku můstkovým usměrňovačem, v jehož diagonále je zapojeno proudové relé první skupiny bezpečnosti (N). Přestože je zapojení podle obr.1. jednoduché a průhledné byl po několika letech od jeho zavedení a všeobecného nasazení v zapojení identifikován Doc. Jelínkem působícím na tehdejší VŠD v Žilině potenciálně nebezpečný stav podrobně popsaný např. v lit. [2] a schématicky naznačený rovněž na obr.1. Při přerušení kterékoliv z usměrňovacích diod v můstku (což je uvažovaná porucha ve smyslu platných norem) dojde k jednocestnému usměrnění napájecího proudu, což vyvolá přesycení magnetického obvodu napájecího transformátorku návěstní žárovky a nárůstu jeho magnetizačního proudu. Případné přepálení vlákna návěstní žárovky pak není v použité schematice detekováno, což vede k hazardnímu stavu. V lit. [2] bylo navrženo několik možných řešení, jak lze tento hazardní stav odstranit. V praxi bylo z předložených návrhů vybráno modifikované zapojení, které popsaný hazardní stav odstranilo, které je principielně naznačeno na obr.2. a které se používá doposud. Při principielním návrhu bezpečného napájecího a dohlížecího návěstního obvodu podle obr.1., resp. po jeho modifikaci podle obr.2. se vycházelo z dále popsaných předpokladů, které zajišťují jeho bezpečnou funkci (které byly v době návrhu bezpečným způsobem zajištěny): Napájení návěstního obvodu je zajištěno ze všeobecné sítě 220V/50Hz, nebo z náhradních rotačních generátorů Síťové napájecí napětí, resp. výstupní napětí z rotačního generátoru a jeho kmitočet se v žádném z uvažovaných stavů nezvýší od své jmenovité hodnoty o více než 10% Tvar napájecího napětí je harmonický (sinusový) s minimálním tvarovým zkreslením, které vede ke vzniku vyšších harmonických Kapacitní a svodové proudy metalického vedení leží dostatečně hluboko pod proudem odpadu proudového kontrolního relé Magnetizační proud návěstního transformátorku je dostatečně nízký a jeho magnetizační indukčnost je zvolena tak, že částečně kompenzuje kapacitní proud vazebního vedení Případné zkraty v návěstním obvodu vedou k přepálení tavné pojistky F1

3 Od začátku 80-tých let minulého století se počaly v řadě aplikací napájecích obvodů zabezpečovacích zařízení (např. pro napájení kolejových obvodů) nahrazovat původní náhradní zdroje s rotačními generátory elektronickými zdroji, později se začaly používat elektronické zdroje pro bezvýpadkové napájení zabezpečovacích zařízení (UPS). V další části příspěvku bude naznačeno, zda jsou splněny v případě modernizovaných napájecích zdrojů předpoklady pro bezpečnou funkci výše popsaných návěstních obvodů, případně jak je lze bezpečně zajistit. 3. Používané možnosti napájení reléových dohlížecích obvodů světelných návěstidel elektronickými zdroji Počátkem 80.tých let min. století byly v odvětví zabezpečovací techniky u ČSD náhradní rotační zdroje postupně nahrazovány elektronickými zdroji. Jedno z používaných zapojení je principielně naznačeno na obr.3. Elektronický zdroj podle obr.3. je tvořen výkonovým zdrojem obdélníkového signálu s vysokým obsahem lichých harmonických základního kmitočtu. Vyšší harmonické kmitočty jsou odstraněny filtrací sériovým rezonančním obvodem LC tak, aby na výstupu byl harmonický signál o kmitočtu 50Hz s minimálním podílem vyšších harmonických. Jestliže je bezpečným způsobem zajištěno, že nedojde k poruchovému nárůstu výstupního napětí o více než 10% a k poruchovému nárůstu vyšších harmonických, lze toto řešení považovat za ekvivalentní s řešením podle obr.2. Ze zapojení podle obr.3. je zřejmé, že jeho nevýhodou je technologicky náročná realizace výkonového sériového rezonančního obvodu LC, který musí být navržen s ohledem na co možná minimální impedanci v rezonanci. Výše uvedené zapojení bylo bezpečným způsobem realizováno v některých zdrojích ze sortimentu bývalých SZ dílen Hradec Králové. Další obvodové řešení elektronických zdrojů pro bezvýpadkové napájení (UPS) vychází z technologických pokroků v součástkové základně výkonové elektroniky, které umožnily generaci výkonového harmonického signálu na principu impulsní šířkové modulace (PWM). Zdroje na principu PWM pracují s vyšším impulsním pracovním kmitočtem (v současné době jednotky až desítky khz) a harmonický signál o kmitočtu 50Hz vzniká integrací šířkově modulovaných impulsů PWM na výstupní výkonové dolní propusti LC výkonového zdroje. Vzhledem k odlišnému spektrálnímu rozložení výstupního generovaného signálu, kde se vyšší harmonické složky přesouvají o jeden až dva řády výše, než je generovaná základní

4 harmonická složka výstupního signálu je praktická realizace dolní propusti LC vzhledem k relativně vysokému meznímu kmitočtu DP bezproblémová. Zdroje tohoto typu se vyznačují vysokou účinností, malými rozměry a regulací výstupního napětí ve zpětnovazební smyčce. Příklad zapojení návěstního obvodu buzeného zdrojem UPS s PWM je principielně naznačen na obr.4. Jestliže prověříme naznačené zapojení podle obr.4. zda splňuje bezpečnostní kritéria definované v zapojení podle obr.2. zjistíme, že v případě konvenčních zdrojů UPS dodávané pro běžné průmyslové aplikace tomu tak není. Při uvažované poruše, jakou je přerušení kondenzátoru C ve výstupní dolní propusti zdroje dojde ke zvýšení podílu vyšších harmonických na výstupu zdroje. Zvýšením podílu vyšších harmonických ve výstupním napětí zdroje může dojít ke zvýšení kapacitního proudu ve vazebním vedení do takové míry, že při přerušení vlákna návěstní žárovky nedojde k poklesu odebíraného proudu pod proud odpadu detekčního proudového relé, takže není detekována porucha návěstní žárovky. Při uvažované poruše, kterou je jakákoliv jednoduchá porucha prvků zpětnovazební smyčky, kterou je regulována hladina výstupního napětí zdroje může dojít k nedetekovanému zvýšení úrovně výstupního napětí nad předpokládanou toleranci +10% což může rovněž vést ke vzniku potenciálně nebezpečného hazardního stavu. Výše popsané hazardní stavy, které mohou nastat uvažovanými poruchami na výstupech komerčních UPS zdrojů byly v případě odpojení kondenzátoru ve výstupním filtru UPS ověřeny jednak změřením spektra výstupního signálu pomocí spektrálního analyzátoru, jednak praktickou simulací poruchy v návěstním obvodu podle obr.4. Zde neuvedený spektrální diagram ilustruje vyšší harmonické složky ve výstupním napětí zdroje UPS po odpojení kondenzátoru výstupního filtru. Praktickým měřením výstupního proudu ze zdroje do zátěže tvořené návěstním obvodem při zapojeném a po odpojení kondenzátoru ve výstupním filtru konvenční UPS které bylo provedené v laboratoři firmy Signalmont Hradec Králové se prokázal hazardní stav detekčního proudového relé při délkách vazebního vedení od 0m až do 1200m. Výsledky

5 měření jsou zpracovány tabelárně v tabulkách tab.1. a tab.2. V tabulce tab.1. jsou prezentovány výsledky měření výstupních proudů do zátěže tvořené standardním návěstním obvodem podle obr.4. při připojené a rozpojené zátěži tvořené návěstní žárovkou v bezporuchovém stavu napájecího zdroje, kdy výstup zdroje generuje napětí harmonického průběhu s úrovní 225V. Měření je provedeno pro délku standardního párovaného vazebního návěstního kabelu 1200m, 600m a 0m. Délka kabelu [m] Odebíraný výstupní proud ze zdroje [ma] připojená Odebíraný výstupní proud ze zdroje [ma] rozpojená Proudové relé odpadlé Proudové relé odpadlé Proudové relé odpadlé TAB.1. Z naměřených hodnot je zřejmé, že odebíraný výstupní proud ze zdroje při rozpojené zátěži (žárovce) se pohybuje do 10mA, což je hluboce pod jmenovitým proudem odpadu použitého proudového relé. Rovněž stojí za povšimnutí, že magnetizační indukčnost použitého návěstního transformátorku ST3/R je zvolena optimálně ve smyslu kompenzace kapacitního proudu návěstního kabelu. V následující tabulce tab.2. jsou prezentovány výsledky téhož měření při poruchovém odpojení kondenzátoru C na výstupní dolní propusti napájecího zdroje s PWM. Délka kabelu [m] Odebíraný výstupní proud ze zdroje [ma] připojená Odebíraný výstupní proud ze zdroje [ma] rozpojená Proudové relé přitažené Proudové relé přitažené Proudové relé přitažené TAB.2. Provedené měření jednoznačně potvrdilo, že vyšší harmonické kmitočty ve spektru napájecích zdrojů s PWM modulací při uvažované poruše jediné součástky výstupního filtru vedou ke vzniku hazardního stavu. Z měření rovněž vyplývá zajímavý poznatek, že vyšší harmonické kmitočty ve výstupním spektru vedou ke zvýšení ztrát v napájecím transformátorku ST3/R, což vysvětluje vysokou hodnotu odebíraného proudu naprázdno při přímém připojení návěstního obvodu ke zdroji. 4. Možnosti odstranění popsaných hazardních stavů Z koncepčního hlediska je nejlepší řešení se při návrhu elektronických napájecích zdrojů řídit zásadami železniční zabezpečovací techniky a vyvarovat se tak popsaným hazardním stavům. Jako příklad takového postupu lze uvést elektronický zdroj BZS-R96/S vyvinutý firmou Signalmont HK, který je vybaven bezpečnými dohlížecími obvody úrovně, kmitočtu a tvaru výstupního napětí, kterými jsou popsané hazardní stavy eliminovány.

6 Jako další možné řešení lze uvést doplnění konvenčních UPS alespoň o bezpečný dohled napěťové hladiny na výstupu spojený např. s modifikací výstupního filtru LC s využitím součástí s vestavěnou bezpečností (např. speciálně konstruovaná tlumivka ve spojení se čtyřvývodovým kondenzátorem ve smyslu normy ČSN EN ). Takové řešení ovšem pouze odstraňuje důsledky nekoncepčního řešení popsané problematiky. 5. Závěr V příspěvku je popisným způsobem upozorněno na problémy, které mohou vést k hazardním stavům ve stávajících obvodech a funkčních blocích konvenčních reléových zabezpečovacích zařízeních v případech, kdy jsou nekoncepčně inovovány bez prověření možných důsledků těchto inovací. Je zapotřebí se zamyslet nad tím, že to, že se (zatím) potenciálně nebezpečná porucha popsaného typu nevyskytla neznamená, že k takové poruše s případnými vážnými důsledky v budoucnosti nemůže v provozovaných zařízeních dojít. Popsaný problém je do jisté míry analogický s problémem, který je popsán v lit. [2] a který byl řešen v 60.tých letech minulého století. Literatura: [1] Konečný I. : Bezpečné elektronické interfejsy jako náhrady relé I. skupiny bezpečnosti (příspěvek na semináři K aktuálním problémům. V ) ZČU FEL Plzeň 2010 [2] Jelínek L. : Zapojení světelných návěstidel (Doktorská disertační práce ) VŠDS KBS Žilina 1983