- Tytuł:
-
Researches and tests of high-speed circuit breakers for rolling stock and substations in 3 kV DC traction power system
Badania pojazdowych i podstacyjnych wyłączników szybkich w systemie zasilania trakcji 3 kV DC - Autorzy:
-
Rojek, A.
Sidorowicz, M. - Powiązania:
- https://bibliotekanauki.pl/articles/952291.pdf
- Data publikacji:
- 2013
- Wydawca:
- Instytut Kolejnictwa
- Tematy:
-
wyłącznik szybki
zwarcia
prąd krytyczny
koordynacja zabezpieczeń
high-speed circuit breaker
short circuit
critical currents
coordination of protection - Opis:
-
Before placing in service in the railway electrical traction high-speed circuit-breakers shall be the subject of conformity tests with standards. The high-speed circuit breakers are an essential safeguard against the flow of an excessive current in the circuit overhead line and vehicles being powered by it. That is the reason why the circuit breakers must be equipped with systems which allow extinguish the high-energy arc. Additionally, the short circuit currents must be switched off as soon as possible to minimize the risk of damage, protected by circuit breakers, elements of an electric traction power supply system. The main document identifying requirements and a scope of the high-speed DC circuit breakers research for traction substation and sectioning cabins is the PN-EN 50123-2 standard. In the case of the on- board high-speed DC circuit breakers, requirements and scope of the research regulates the PN-EN 60077-3 standard. Although, two standards - PN-EN 50123 and PN-EN 60077-3 - apply to the same type of electric gear, the symbols and volume and parameter indexes used therein are different, what causes some inconvenience in analysis and results comparison, especially in terms of circuit breaker cooperation (f.e. in ensuring the coordination of short circuit protection in the traction vehicle - traction substation relation). Besides above standards, the requirements for high-speed DC circuit breakers are contained in PN-EN 50388 standard and technical specification for interoperability of the subsystem “Energy” (TSI “Energy”). For most of the test points and high speed D.C. circuit breaker checks, requirements that are contained in standards, testing and results are not problematic. However, part of the research and their result may be the basis of a discussion about real properties and parameters of circuit breakers. These tests and checks are contact life research, switching capacity check, designation and critical currents switching off and coordination of short circuit protection in the traction vehicle - traction substation relation. The data analysis presented by the producers of circuit breakers show that none of them classifies their products as one of the type: H, V or S, that are defined by PN-EN 50123 standard. Based on many measurements performed by Instytut Kolejnictwa it is possible to determine the type of high-speed D.C. circuit breakers designed to 3 kV D.C. system, produced by the leading European companies. The example of the current limiting very high-speed circuit breaker type V that is produced in Poland can be taken only one of a type DCN. The current limiting high-speed circuit breaker type H is a one of a series BWS, while circuit breakers UR40 is classified to the semi-high-speed circuit breaker type S. The next “imperfection” of the standards containing the requirements for high-speed D.C. circuit breakers is a guideline for short circuit. In such a short circuit should be only inductance and resistance. Whereas in the real conditions in short circuits, where high-speed circuit breakers are working, there are capacities, for example as filters in traction vehicles. Analyzing the short circuit current flow it can be stated that switching on of resonance filter caused extra switching off time about 10%. As a result of later release and oscillating changes of short circuit current, the value of maximum limiting short circuit current increases about 15%. The critical currents switching off are bonded with relatively long burning arc on the contacts of circuit breaker. The burning time of an arc while small values of currents switching off is form over a dozen to ten times longer, than short circuit currents. By this time, which can be up to few or even several seconds, the circuit breaker contacts are exposed to arc, arcing horns and arc chamber. It causes significant arcing erosion of these elements. The standards do not define at what time critical currents should be switched off and do not specify which critical currents value should be taken as a result of tests. To achieve selectivity of short circuit and overload currents switching offs forming in rolling stock is possible while on-board circuit breaker switches off the current before the circuit breaker for use in substations and sectioning cabins will get tripped. It will happen only when on-board circuit breaker limits the current to a value lower than the tripping level of the circuit breaker for use in the fixed installations. It will happen when steepness of short circuit grow is small enough that on-board circuit breaker starts to limit the current before it reaches the tripping level of high-speed circuit breaker for use in substation. The limit value di/dt, at which short circuit current will be switched off only be the on-board circuit breaker depends on independent opening time of on-board circuit breaker, its limiting current capacity and the difference between the value of setting of on-board circuit breaker for use in fixed installations. The results of the simulation, analysis and tests show, that it is not, at the moment, possible to obtain selective short circuit switching offs in rolling stock. At the European market of circuit breakers the greatest range of selectivity show vacuum circuit breakers DCN-L and DCU using in rolling stock.
Przed dopuszczeniem do eksploatacji w kolejowej trakcji elektrycznej wyłączniki szybkie prądu stałego muszą być poddane badaniom na zgodność z normami. Wyłączniki szybkie są podstawowym zabezpieczeniem przed przepływem nadmiernych wartości prądu w obwodach sieci trakcyjnej oraz zasilanych z niej pojazdów. Dlatego muszą być wyposażone w układy umożliwiające zgaszenie łuku o dużej energii. Dodatkowo prądy zwarciowe muszą być wyłączone w jak najkrótszym czasie, aby zminimalizować ryzyko uszkodzenia chronionych przez wyłączniki elementów systemu zasilania trakcji elektrycznej. Podstawowym dokumentem, określającym wymagania i zakres badań wyłączników szybkich prądu stałego przeznaczonych do podstacji trakcyjnych i kabin sekcyjnych, jest norma PN EN 50123-2. W przypadku wyłączników szybkich przeznaczonych do eksploatacji w pojazdach trakcyjnych wymagania i zakres badań reguluje norma PN-EN 60077-3. Pomimo, że obydwie normy dotyczą tego samego typu aparatów elektrycznych, stosowane w nich oznaczenia i indeksy wielkości i parametrów są inne, co powoduje pewne niedogodności w analizach i porównywaniu wyników, w szczególności w aspekcie współpracy wyłączników, np. przy zapewnianiu koordynacji zabezpieczeń zwarciowych w układzie pojazd trakcyjny – podstacja trakcyjna. Oprócz wymienionych norm, wymagania dla wyłączników szybkich są zawarte w normie PN-EN 50388 oraz specyfikacji technicznej interoperacyjności podsystemu „Energia”. Dla większości punktów zakresu badań i sprawdzeń wyłączników szybkich, wymagania zawarte w normach oraz przeprowadzenie i wyniki badań nie są problematyczne. Jednak część badań i ich wynik mogą być podstawą dyskusji dotyczących rzeczywistych właściwości i parametrów wyłączników. Do tych badań i sprawdzeń należą badanie trwałości łączeniowej, sprawdzenie zdolności łączeniowej prądów zwarciowych, wyznaczenie i wyłączenie prądów krytycznych i koordynacja zabezpieczeń zwarciowych w układzie pojazd trakcyjny – podstacja trakcyjna. Wyniki analizy danych przedstawianych przez producentów wyłączników pokazują, że żaden z nich nie klasyfikuje produkowanych wyłączników jako jednego z typów: H, V lub S, zdefiniowanych w normie PN-EN 50123. Na podstawie pomiarów prowadzonych przez Instytut Kolejnictwa jest możliwe określenie typu wyłączników szybkich prądu stałego przeznaczonych do systemu 3 kV DC, produkowanych przez czołowe firmy europejskie. Za wyłącznik typu V można uznać jedynie wyłącznik typu DCN. Wyłącznikiem typu H jest wyłącznik serii BWS, natomiast parametry wyłączników typu UR40. Kolejną „niedoskonałością” norm zawierających wymagania dla wyłączników szybkich prądu stałego, jest wytyczna dotycząca obwodu zwarciowego. W obwodzie tym powinny występować jedynie indukcyjność i rezystancja. Natomiast w warunkach rzeczywistych w obwodach zwarciowych, w których pracują wyłączniki szybkie występują pojemności, np. w postaci urządzeń wygładzających w podstacjach trakcyjnych lub filtrów wejściowych w pojazdach trakcyjnych. Analizując wyniki badań zwarciowych można stwierdzić, że załączenie urządzenia wygładzającego spowoduje wydłużenie czasu wyłączania o około 10%. W wyniku późniejszego wyzwolenia oraz oscylacyjnych zmian prądu zwarciowego, wartość maksymalnego ograniczonego prądu zwarcia zwiększa się o około 15%. Wyłączanie prądów krytycznych wiąże się ze stosunkowo długotrwałym paleniem łuku na stykach wyłącznika. Czas palenia się łuku przy wyłączaniu prądów o małej wartości jest od kilkunastu do kilkudziesięciu razy dłuższy, niż w przypadku wyłączania prądów zwarciowych. Przez ten czas, który może dochodzić do kilku, a nawet kilkunastu sekund, na działanie łuku są narażone styki wyłącznika, rożki łukowe i komora łukowa. Powoduje to znaczną erozję łukową tych elementów. Normy nie definiują w jakim czasie prądy krytyczne powinny być wyłączane oraz nie określają jaką wartość prądów krytycznych należy przyjmować jako wynik badań. Uzyskanie selektywności wyłączeń prądów zwarciowych i przetężeniowych powstających w taborze jest możliwe wówczas, gdy wyłącznik taborowy wyłączy prąd zanim zostanie wyzwolony wyłącznik w podstacji trakcyjnej lub w kabinie sekcyjnej. Nastąpi to tylko w przypadku, gdy wyłącznik taborowy ograniczy prąd do wartości niższej od poziomu wyzwolenia wyłącznika podstacyjnego. Wystąpi to w przypadku, gdy stromość wzrostu prądu zwarciowego będzie na tyle mała, że wyłącznik taborowy zacznie ograniczać prąd zanim osiągnie on poziom wyzwalania wyłącznika szybkiego w podstacji. Wartość graniczna di/dt, przy której prąd zwarciowy będzie wyłączany tylko przez wyłącznik taborowy, zależy od czasu własnego otwarcia wyłącznika w pojeździe, jego zdolności ograniczania prądu i różnicy pomiędzy wartościami nastaw wyłączników taborowego i podstacyjnego. Wyniki symulacji, analiz i badań pokazują, że obecnie nie jest możliwe uzyskanie każdorazowo selektywności wyłączeń prądów zwarciowych w taborze. Największy zakres selektywności można uzyskać w przypadku zastosowania w taborze próżniowych wyłączników serii DCN-L i DCU. - Źródło:
-
Problemy Kolejnictwa; 2013, 159; 7-30
0552-2145
2544-9451 - Pojawia się w:
- Problemy Kolejnictwa
- Dostawca treści:
- Biblioteka Nauki
Artykuł