Postupy testování rychlovypínačů DC v prostředí kolejové dopravy

Obrázek 1: Příklad časové vypínací charakteristiky rychlovypínače Obrázek 1: Příklad časové vypínací charakteristiky rychlovypínače

Rychlovypínače stejnosměrného proudu DC, v tomto dokumentu označované jako vypínače, jsou přítomny ve všech druzích železniční infrastruktury. Vnitrostátní nebo městské železnice, tramvaje či metro, všichni se spoléhají na vypínače, aby je chránily před katastrofální situací. Vypínače mohou být instalovány buď na palubě vlaků, nebo na trati v trakčních napájecích stanicích. Netřeba dodávat, že vypínače jsou kritickou součástí železniční infrastruktury. V nejlepším případě může vadná jednotka způsobit zastavení vlaků, v nejhorším případě může zapříčinit selhání či zahoření části infrastruktury a zavinit ztráty na životech. Životní cyklus vypínačů je dlouhý, některé jednotky, jež jsou stále v provozu, jsou staré více než 50 let. Řádné testování vypínačů je v těchto dnech aktuálním tématem v důsledku řady incidentů na různých systémech kolejové dopravy. Tento dokument popisuje některé problémy s testováním a jejich řešení.

Vypínače, základy

Role vypínače je poměrně jednoduchá: měl by vypnout (často je tato událost označována jako „trip“), když jsou zjištěny abnormální hodnoty proudu. Za takovou událost můžeme považovat zkrat vedoucí k okamžitému nárůstu hodnoty proudu nebo k přetížení, když je odběr jednoduše vyšší než možnosti napájení/zdroje. V obou případech by vypínač měl vykonávat svou funkci a odpojit zařízení od sítě.

Vypínače „vypnou“, jakmile aktuální „I“ překročí určitou hodnotu v závislosti na typu vypínače a na hodnotě nastavené pro tento vypínač. Vypínač se však také vypne, když je změna proudu velká, což se označuje jako di/dt, tj. změna proudu za časovou jednotku. Graf posledně uvedeného je znázorněn na obrázku 1 a ukazuje čas potřebný k vypnutí „tl“ v milisekundách (často označovaný jako „vypínací čas“) pro funkci di/dt pro 2 typy vypínačů Secheron. Čím větší je di/dt, tím rychleji vypínač vypne. Z grafu můžeme vyhodnotit, že vypínací doba UR26 má být přibližně 4,3 ms, než dojde k vypnutí při di/dt 3,106 A/s.

I když spotřeba proudu naroste nad prahovou hodnotu (dále označovanou jako Ids), tj. vypínač nastavený na 4000 A by měl vypnout, když požadovaný proud přesáhne tuto hodnotu. Rychlovypínače obvykle vypínají za 10 ms nebo méně.

Vypínače jsou vyráběny s velkou péčí podle specifických norem. Na druhou stranu tato zařízení fungují v terénu po celá desetiletí za různých podmínek a sestávají z mechanických částí. Můžete tedy očekávat, že se vypínač bude chovat podle původního výrobního nastavení i po 40 letech?

Není nutné říkat, že pravidelné testování vypínačů v rámci zdokumentovaných postupů údržby je povinné. Otázka tedy zní, jak provedeme testování správně a korektně? Testování podle obrázku 1 je nemožné, protože by to vyžadovalo současnou simulaci zkratů. V současné době na trhu neexistují žádné testovací jednotky, které by to dokázaly. Naopak testování prahového proudu Ids a vypínacího času tl je naprosto bez problémů možné i s existujícími přístroji, jako jsou například testery DC rychlovypínačů BALTO. Tyto přístroje generují proud a měří, při jaké hodnotě proudu vypínač vypne a současně čas vypnutí tl. 

Testování v souladu se standardy IEC

Za účelem standardizace zkoušení vypínačů byly specifikace vypracovány IEC (International Electrotechnical Commission) a finalizovány v dokumentech IEC 60772 1-2 a 61992 1-2. Je stanoveno, že v případě vypínače, jehož činnost je ovlivněna rychlostí nárůstu proudu, což je případ vysokorychlostních stejnosměrných vypínačů, nesmí rychlost nárůstu proudu překročit 200 A/s. Je prakticky nemožné a neefektivní testovat vypínač nárůstem 200 A/s s počátkem generování na hodnotě 0 A. V případě vypínače s hodnotou nastavení 4000 A by tento test trval přibližně 20 s a současně by se spotřebovalo obrovské množství energie. Tento fakt by způsobil (nároky na napájení a elektroniku zkušebního přístroje), že testovací zařízení by bylo extrémně drahé a současně rozměrově i hmotnostně velké, což by prakticky vyloučilo jeho transportovatelnost. Mnohem chytřejší způsob, jak dosáhnout kýženého cíle, je nejprve měřit vypínací proud přibližně („rychlý a špinavý“ test) se strmým sklonem injektovaného proudu a po stanovení tohoto prahového proudu provést podrobný test podle specifikací uvedených ve standardu.

Obraz168863Obrázek 2: Průběh prvotního testu pro orientační určení parametrů

To je znázorněno na obrázku 2. Iref je prahový proud měřený v předchozím „rychlém a špinavém“ testu se strmým sklonem. Přesný test se provádí tak, že se nejprve injektuje proud se strmým sklonem např. do 5 % pod Iref, poté započne generování o nárůstu se strmostí 200 A/s (mezi t1 a t3). Ids je správný vypínací proud měřený podle normy. Při tomto způsobu dochází k výraznému snížení nároků na napájení testovacího přístroje a spotřebovanou energii. T1 je obvykle dosaženo za méně než 1 sekundu, t3–t1 je kratší než 3 sekundy.

Podobný postup by měl být dodržen pro měření vypínací doby tl (čas vypnutí). Nejprve je injektován proud se strmým sklonem a poté je generován proud o konstantní velikosti mírně pod Ids po dobu 40 ms. Pak je generován dostatečně velký proud Iref potřebný pro vypnutí vypínače. Vypínací čas je stanoven jako t2–t1, jak je zobrazeno na obrázku 3.

Obraz168874Obrázek 3: Průběh proudu pro přesné změření vypínacího času vypínače

Samotný „rychlý a špinavý“ test sám o sobě není dostačující, protože může vést k zavádějícím výsledkům. Například z důvodu (příliš) strmého sklonu nárůstu hodnoty proudu může dojít k předčasnému vybavení vypínače, tj. před dosažením Ids. V tomto případě změna proudu di/dt o nevhodné velikosti zapříčiní vybavení vypínače. Během přesného standardizovaného měření se sklonem 200 A/s vypínač nevypne a tím je umožněno korektní změření vybavovacího proudu Ids.

V tomto materiálu byly nastíněny některé z aspektů testování rychlovypínačů DC, pojďme se tedy seznámit s těmito aspekty blíže.  Jak přesné jsou vypínače? Norma EN 50123-2, oddíl 6.6.2.2. uvádí, že „přesnost nastavení přímých nadproudových vypínačů činí ±10 %“. Ve společnosti STEVO Electric byl detailně otestován jeden z nejznámějších vypínačů na trhu UR26 Secheron. Model, jenž byl použit, byl vyroben již v roce 1992, tudíž se očekávalo, že bude méně přesný než dnešní verze. Náš testovací model se poněkud liší designem od současného modelu UR26 společnosti Secheron. 

Přehled zkoušek

Vypnutí vypínače na základě Ids, maximálního proudu vypínače, se provádí podle aktuálního modelu řady UR26 následujícím způsobem: Když definovaný nadproud protéká hlavním obvodem, vytváří ve vypínacím zařízení (11) magnetické pole, což indukuje pohyb (12) pohybujícího se magnetu (13) směrem nahoru; tento pohyb tlačí vidlici (15) nahoru a uvolňuje (10) pohyblivý kontakt (viz obrázek 4).

Obraz168882Obrázek 4: Konstrukční uspořádání rychlovypínače

Nastavení Ids vypínače je poměrně snadné. UR26 má 2 konfigurace v závislosti na tom, zda je jádro vloženo, či nikoli. Bez jádra je rozsah mezi 2000 A a 5000 A. Při vloženém jádru je rozsah mezi 4050 A a 8000 A. Starší verze UR26 nemá cívku, rozsah Ids lze nastavit mezi 2000 A a 8000 A bez výměny cívky. U nejnovějšího modelu je třeba seřídit šrouby (3) a (4), aby se dal nastavit vypínač. Na obrázku 5 je vypínač bez jádra nastaven na 2500 A. Pokud není štítek s hodnotami dostatečně detailní nebo chybí bližší popis, musí se pro konkrétní nastavení provést interpolace.

Obraz168891Obrázek 5: Příklad nastavení rychlovypínače

Pokud je vypínač objednán pro konkrétní Ids, je kalibrován v továrně.

Testovaný model UR26 byl nastaven na následujících úrovních Ids: 1000 A, 2000 A, 3000 A, 4000 A, 5000 A, 6000 A, 7000 A a 8000 A. Ids byl měřen pro každou úroveň nejméně 45krát. Pro testování byl použit generátor proudu / tester BALTO od firmy STEVO Electric. Tento testovací přístroj generuje proud v souladu s IEC 61992-2, což znamená, že aktuální sklon di/dt  během testu vypnutí je max. 200 A za sekundu.

Výsledek testů s Ids nastaveným na 2000 A

Výsledky měření s Ids nastaveným na 2000 A jsou znázorněny v grafu. Důležité statistické hodnoty jsou následující (obrázek 6):

Obraz168907Obrázek 6: Naměřené Ids

  • průměr: 1,965 A
  • standardní odchylka: 23,5 A
  • nejvyšší hodnota: 2,022 A
  • nejnižší hodnota: 1,905A
  • střední hodnota: 1,967 A

Obdobné grafy pro jiné proudy Ids vykazují podobné charakteristiky pro dané nastavení proudu. Je tedy možné dospět k závěru, že měření jsou rozdělena podle normálního rozdělení. V teorii pravděpodobnosti je normální (nebo Gaussian) distribuce obyčejné nepřetržité rozdělení pravděpodobnosti. To vám umožní vypočítat pravděpodobnost, že k události dojde. Normální rozdělení je definováno průměrem nazývaným „µ“ a standardní odchylkou nazývanou „σ“. Samotná funkce je definována takto:

Obraz168915

Souhrn výsledků pro Ids nastavený na 2000 A viz obrázek 7.

Obraz168923Obrázek 7: Souhrn výsledků testování

Shrnutí výsledků odpovídá naměřenému rozdělení zobrazenému ve výsledcích měření. Pravděpodobnost, že dojde k vypnutí UR26 s průměrnými Ids 1,965 A, tj. mezi 1,888 A a 2,043 A, je 99,9 %. Jinak řečeno můžeme si být na 99,9 % jisti, že k vypnutí dojde v rozmezí ±3,94 % od jeho průměrné hodnoty.

Souhrn měření při různých nastaveních Ids

UR26 byl nastaven na různé hodnoty Ids v krocích po 1000 A. Toto nastavení nebylo uděláno na základě štítkových hodnot vypínače. Údaje na štítku byly často příliš rozmazané, než aby jim bylo možné důvěřovat, a proto byla provedena některá počáteční měření, aby se vypínač nastavil na určitou úroveň. Souhrn výsledků je uveden v následující tabulce na obrázku 8.

Obraz168931Obrázek 8: Tabulkový přehled výsledků

Ve skutečnosti se ukázalo, že nastavení 2000 A bylo nejméně přesné. Všechny naměřené hodnoty nastavení 2000 A byly v rozmezí ±3 %. Nejpřesnější nastavení bylo kolem 6000 A. Nejvyšší odlišná hodnota se od průměrné hodnoty odchýlila pouze o 0,6 %. Na základě předpokladu, že normální rozdělení je platné pro skupinu výsledků času vypnutí vypínače, docházíme k přesnosti vypnutí vypínače při různých nastaveních Ids, jak je znázorněno v následujícím grafu na obrázku 9.

Obraz168939Obrázek 9: Přehled pravděpodobnosti vypnutí pro různé proudové hodnoty

Tento graf říká, že pokud nastavíte vypínač na hodnotu 6000 A, můžete si být jisti, že se vypne mezi 6000 A – 0,8 % a 6000 A + 0,8 %, tj. rozsah je ±0,8 %. Nebo pokud je průměrně nastaven na 4000 A, vypínač vypne mezi 4000 A – 1,9 % a 4000 A + 1,9 %, tj. rozsah je ±1,9 %. Pro nejhorší nastavení na 2000 A si můžete být na 99,9 % jisti, že vypne mezi 2000 A – 4 % a 2000 A + 4 %.

Je zřejmé, že existuje významný rozdíl v přesnosti vypnutí v závislosti na nastavení Ids. To je znázorněno v následujícím grafu, kdy byla měření provedena až do hodnoty Ids 8000 A.

Obraz168947Obrázek 10: Přesnost vypnutí vůči hodnotám různých nastavení vypínače

Tento graf na obrázku 10 zobrazuje, že přesnost vypnutí je nejlepší při 6000 A a je v rozmezí 2 % mezi 4000 A a 7500 A. To by nemělo být překvapením. Výrobci rychlovypínačů stejnosměrného proudu konstruují vypínače tak, že v normálním provozním rozsahu vypínače jsou dosaženy optimální výsledky vypínacích časů. Nejhorších výsledků je dosaženo při okrajích možných provozních nastavení vypínače. 

Výhody přesného nastavení – příklad

Skutečnost, že nastavení Ids může být v praxi mnohem přesnější, vede k efektivnější konstrukční práci. Při definování požadavků konstruktéři a výpočtáři často používají následující rovnici:

1,1 * IBmax <Ids <0,9 * Ikmin

IBmax je maximální provozní proud a Ikmin je minimální zkratový proud (viz VDV520). To znamená, že pokud je například Ikmin 10000 A, musí být jistič nastaven max. na 9000 A. Maximální provozní proud by pak byl 8,181 A. Toto nastavení bere v úvahu ±10 % nepřesnosti rychlovypínače (faktor 0,9 v rovnici). Tímto způsobem si můžete být jisti, že jistič vypne, když je dosaženo Ikmin. Měli bychom však upravit vzorec, když jsme ověřili, že přesnost rychlovypínače je mnohem vyšší. Pokud bychom provozovali UR26 v rozmezí Ids mezi 4000 A a 7500 A, vzorec by byl následující:

1,02 * IBmax <Ids <0,98 * Ikmin (2% nepřesnost)

To by znamenalo, že se stejným Ikmin 10000 A lze nastavit jistič na 9800 A, což má za následek provozní proud 9 607 A, což je zvýšení o 1,426 A. Nárůst rozsahu nastavení o 17,4 % provozního proudu může vést k významnému zlepšení provozu a flexibility nastavení při zachování bezpečnostních požadavků.

Za povšimnutí stojí, že jsme předpokládali, že Ikmin byl stanoven testy a korigován proti testovacím podmínkám v mezích očekávaných tolerancí. Ve skutečnosti by měl být podobný přístup používán pro správné určení Ikmin, jak jsme navrhli v tomto materiálu pro Ids. Pouze s dostupnými přesnými hodnotami získanými při testování lze přesně doladit návrh systému. Rovněž jsme předpokládali, že k rychlovypínači není připojen žádný systém chránění (digitální nebo elektromechanické ochrany). V tom případě by funkci vypínače spouštěla ochrana měřící proud pomocí bočníku, případně přístrojového transformátoru proudu. V takovém případě je potřeba do výpočtu nastavení připočíst ještě chybu (nejistotu) zmíněného bočníku, případně přístrojového transformátoru proudu, například 5 % (Imax nastaven 5 % pod Ids). Následně by tedy výpočet vypadal takto:

IBmax <Imax <0,95 * Ids <0,98 * Ikmin

Závěr

Normy EN 50123-2 nebo IEC 61992-2 stanoví, že přesnost vypnutí jističů je ±10 %. V té době to bylo spravedlivé a bezpečné prohlášení, přičemž se bere v úvahu skutečnost, že štítková hodnota nastavení Ids na rychlovypínačích zahrnuje nejistoty a že skutečné nastavení jističů jednoduše nelze ověřit. Avšak s moderním testovacím zařízením pro rychlovypínače mohou být hodnoty Ids nastaveny výrazně přesněji.

Moderní testovací technologie pro rychlovypínače umožňuje příslušným institucím či diagnostickým skupinám nejen ověřovat řádný provoz jejich infrastruktury, ale také jim může pomoci zvýšit její výkon.

Zkušenost autorů je taková, že se poměrně často v terénu setkávají se stavem, kdy vypínač reaguje za výrazně odlišných hodnot proudu, než na jaké je nastaven. Příčinou tohoto stavu je obvykle buď nedostatečně prováděná údržba, nebo fakt, že testování není konáno v souladu s normou. Při testování je tedy možno používat pouze vybavení, které bez výhrad odpovídá požadavkům normy. Vhodnými testery mohou být například testery řady BALTO, jež jsou nabízeny v konfiguracích o maximálním proudu 2,5–40 kA a zaručují spolehlivost a opakovatelnost měření, stejně jako neoddiskutovatelné výsledky při přejímkách nových prvků infrastruktury kolejové dopravy.

Rychlovypínače stejnosměrného proudu jsou kritickými prvky v infrastruktuře provozovatele železnice. Zajistí, aby škoda způsobená zkraty či poruchami byla omezena na co nejnižší možnou úroveň. Tyto životně důležité komponenty jsou také zranitelné, přestože jsou postaveny na nejvyšších standardech. Je tedy zapotřebí, aby jejich parametry a soulad funkce s nastavením byly pravidelně testovány podle standardních postupů diagnostiky a údržby.

Literatura:

  • [1] IEC 61992-2, Railway applications - Fixed installations - DC switchgear - Part 2:DC circuit-breakers
  • [2] EN 50123-2, Railway Applications Fixed Installations - D.C. Switchgear Part 2: D.C. Circuit Breakers
  • [3] Demystifying the accuracy of High Speed DC Circuit Breakers, Stevo Electric, 2016
  • [4] Primary Injection Testing : necessity or luxury ? Stevo Electric, 2016
  • [5] Interní materiály “TMV SS“ s.r.o.
  • [6] TMV SS. TMV SS [online]. Copyright © [cit. 18.05.2022]. Dostupné z: https://www.tmvss.cz/
Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz