Problematika EMC kolových čidel počítačů náprav z hlediska měření jejich odolnosti vůči rušivým elektromagnetickým polím Ing. Karel Peška, VÚŽ Praha Uplynulý rok byl velmi bohatý na události na poli detektorů kol. Na železniční síti ČR značně přibylo nových instalací počítačů náprav, které v loňském roce převýšily svým počtem kolejové obvody. S tím byly na naší železniční síti zaznamenány v dosud v nepoznané míře problémy s kompatibilitou, spojované zejména s ověřovacím provozem lokomotivy ř. 380, která však, jak se později ukázalo, nebyla hlavní příčinnou nekompatibilit. V tuzemsku se objevilo i několik nových řešení počítačů náprav, ať ve formě již pohotově komerčně dostupných řešení, tak i projektů. Dalším neméně významným počinem na tomto zájmovém poli bylo konečně vydání několikrát odsouvané specifikace CENELECu TS50238-3. Ta je součástí souboru EMC specifikací vydávaných okolo kmenové specifikace TS50238, jejíž předchůdkyni známe jako ČSN EN50238. Zejména pro orientaci na konkrétní výrobky nebyla vydána ve formě evropské normy. Dokument je vydáván jako technická specifikace s cílem jej po zobecnění v budoucnu nahradit standardní technickou normou. Dnes známá EN 50238 bude v rámci nejbližšího pravidelného aktualizačního cyklu transformována na část TS50238-1. Bude popisovat zejména proces posuzování kompatibilit v obecné rovině. K otázkám posuzování jednotlivých třít detekčních systémů byly v červenci 2010 vydány: Část 2 Kompatibilita s kolejovými obvody pod označením TS50238-2, zabývající se zejména metodikou zkoušek k ochraně kolejových obvodů tak, jak jsou v podstatě u nás praktikovány. Znění je částečně souhrnem obsahu našich standardů ČSN342613 a zaniklé ON281020 se snahou podchytit vše v tomto oboru na evropském území. To co je v této normě pro nás nové, jsou otázky rezonancí na trakčním vedení v přítomnosti vlaku a u nás stále opomíjená sumační pravidla dílčích zdrojů rušení. Část 3: Kompatibilita s počítači náprav jejíž obsah je pro nás novinkou. Dá se rozdělit do dvou částí, když jedna pojednává o emisích drážních vozidel a jejich měření a druhá o požadavcích na odolnost detektorů kol a jejím zkoušení. Tato druhá část je i předmětem našeho zájmu. V současnosti u části 2 a 3 v ČR naplno běží práce na začlenění obsahu obou částí ve formě českých technických norem do našeho normativního pořádku. CENELEC TS 50238-3 červenec 2010 Specifikace vychází ze znění direktiv CCS. Věnuje se ovlivňování detektorů kol drážními vozidly. Pro účely této normy je počítač náprav jako zařízení omezen pouze na detektor kol (přenosové zařízení a vlastní počítač náprav nejsou předmětem normy). Za výhradní fyzikální fenomén je považováno magnetické pole, elektrické je bezvýznamné, pomineme-li speciální případ - pole proudové. Za zdroje rušení jsou pokládána elektrická zařízení drážních vozidel ovlivňující vzájemnou mg. vazbou a konduktivními proudy pracovních pásem detektorů vedenými kolejnicí. Technická specifikace je doplněna čtyřmi přílohami (A až D), z nichž pouze příloha A je normativní. Příloha A vyjmenovává hlavní typy detektorů kol na evropských tratích, uvádí pro ně mezní hodnoty ovlivnění doplněné nutnými údaji pro jejich vyšetření. O mezních hodnotách nových zde neuvedených zařízení předpokládá, že se stanoveným hodnotám vyhoví. Na tomto místě by bylo vhodné nad rámec zaměření příspěvku uvést, že k největším nekompatibilitám mezi vozidly
a detektory dochází v oblasti velmi nízkých rychlostí, zejména při rychlostech pod 5km/h. Na obrázku č. 1. jsou schématicky znázorněny rychlosti, ve kterých dokument požaduje provádět zkoumání chování drážních vozidel. obr. č. 1: Idealizovaný trakční diagram hnacího vozidla a obor doporučených rychlostí k měření Příloha B se věnuje používaným kmitočtovým pásmům. Zde budiž zdůrazneno, že intenzita magnetického pole je vektor. Pro účely specifikace se užívá kartézského souřadného systému s orientací dle obr. č. 2. obr. č. 2.: Definice souřadného systému příloha C popisuje zkušební postupy pro měření odolnosti detektorů kol. Do budoucna se předpokládá vydání přílohy C ve formě samostatného dokumentu. obr. č. 3.: Ukázka ochranných kmitočtových pásem (osa X) Příloha D je konstrukčním návodem k výrobě měřicích cívek antény k měření mg. pole užívané jak pro měření emisí vozidel tak i při zkouškách odolnosti detektorů kol. Specifikace mezi emisemi vozidel a odolnostmi detektorů zavádí 9dB nárazníkové pásmo, když přiděluje odstup 6 db k zajištění míry spolehlivosti čítání náprav a ponechává 3 db reservu na nejistoty měření, klimatické vlivy, nepřesnosti analytických metod, rozptyl polohy měřicí antény apod.
Zvláštní pozornost přesným polohám detektorů vzhledem ke kolejnici, požaduje na výrobcích detektorů kol přesnou specifikaci včetně typu kolejnice. Masa feromagnetické kolejnice značně ovlivňuje chování systému, s rostoucím objemem feromagnetického materiálu rostou rizika nekompatibilit. Standard vychází ze základního předpokladu zabezpečovací techniky, že při ovlivnění detektoru systém přejde do bezpečného stavu a nekompatibilita se projeví pouze ztrátou spolehlivosti, bezpečnost zůstane zachována. Veškeré úvahy vycházejí z požadované spolehlivosti 10-7. Ovlivnění je definováno jako intenzita mg. pole způsobující falešný zápočet náprav nebo porušení min. jednoho z výstupních signálů. Specifikace vyžaduje přesnou definici stavu ovlivnění před zahájením vlastního zkoušení. Zkoušky odolnosti detektorů kol Všeobecně Zkoušky se provádí bez přítomnosti kola namontované na kolejnici, která rozhodující měrou deformuje pole. Kolejnice je upevněna na dřevěných pražcích (podložce). Není-li znám nejhorší případ ovlivnění, zkouší se ve spojení se všemi typy kolejnic, mandatorně UIC60, S54, S49 a NS49. K měření intenzity mg. pole se užívá měřicí anténa dle přílohy D (určující) a bodová sonda s průměrem 30mm (Small Size Sensor), příloha C uvádí některé doporučené typy. Zkoušky indukovaným statickým homogenním mg. polem Zkoušky probíhají včetně kolejnice UIC60 (obecně nejhorší případ) dle obrázku č. 4 s min. přesahem kolejnice 0,5m na každou stranu od indukční cívky o doporučené hraně 550mmm. Její impedance musí vykazovat dominantní reaktanční charakter s reálnou složkou menší jak 15Ω/Z o =50Ω. Rozsah požadovaných kmitočtů generátoru je 20kHz-1,3MHz. Z naměřených mezních hodnot se sestaví kmitočtová charakteristika odolnosti, které standard vyžaduje uvést v průvodní technické dokumentaci výrobku spolu s kmitočty charakteristických bodů pro střed pásma a pro poklesy o 3dB a 20dB. Zkoušky se provádí nejen v rovině X-Z (na obrázku), ale i v rovině Y-Z, když se udržuje vzdálenost středu antény od kolejnice 150mm. Obě zkoušky se dají provést pouze pro omezené polohy antény, ty jsou však dostatečně vypovídající. Zkoušky indukovaným dynamickým mg. polem se provádí za účelem zjištění integračních dob. K tomu se vyšetří závislost odolnost proti pulsům pracovního kmitočtu proměnné délky s opakovacím kmitočtem min. 0,5s. Měření se provádí opět dle obr. č. 4. Ze závislosti se sestaví závislost uvedená na obr. č. 5, určí se inflexní bod charakteristiky a integrační doba jako 105% hodnoty ustáleného stavu. obr. č. 4. : Zkouška indukovaným homogenním statickým polem
obr. č. 5: Charakteristický průběh dynamické odolnosti detektorů kol Zkoušky ovlivnění proudem vedeným kolejnicí Zkouška se provádí v uspořádání dle obr. č. 6. s kolejnicí přesahující min 1m zkoušený detektor. V okolí 1m se nesmí vyskytovat žádné vodivé a feromagnetické materiály, zpětný vodič se nachází ve vzdálenosti min. 1,5m. Zkouška se opět provádí s různými vzory kolejnic v pracovním pásmu kmitočtů, když se hledá hodnota proudu způsobující nejhorší ovlivnění činnosti. obr. č. 6.: Zkouška proudem vedeným kolejnicí Zkoušky indukovaným statickým nehomogenním mg. polem Zkouška nehomogenním polem je doporučený doplňující způsob zkoušení v případech, kdy odolnost detektoru je všeobecně nízká nebo vykazuje značné rozdíly v chování v různých směrech. Uspořádání je podobné zkoušce v homogenním poli, která musí být vykonána předem. Ta poskytne mezní hodnotu statické odolnosti a kritický kmitočet. Cívka generující pole se umístí do vzdálenosti D=150mm od kolejnice a ve vzdálenosti X1 rovné dvojnásobku délky zkoušeného detektoru okraje antény od osy detektoru (obr. č.7). Intenzita mg. pole se nastaví těsně pod hranici statické odolnosti. Během pomalého pohybu (5s) generující cívky nad kolejnicí s detektorem se zkoumá jeho chování. Postupně se zvyšuje intenzita mg. pole k vyhledání mezní hodnoty. Výsledná odolnost se stanoví měřením mg. indukce v ose X a Z po demontáži vlastního detektoru. Zkouška se provádí podél osy X a Y.
obr. č. 7.: Uspořádání při zkoušce v nehomogenním poli Zkušební praxe Jak se v rámci provádění zkoušek s loko ř. 380 na tomto poli prokázalo, téměř celá Evropa se do počátku tohoto roku věnovala pouze funkčním testů kompatibility, i když na některých teritoriích s velmi systematickým přístupem. -*-