Knick Applikationsbericht Interface-Technik
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White Paper Steigerung der Verfügbarkeit und Sicherheit in der Bahnstromversorgung Spezielle Komponenten für die DC-Einspeisungen sorgen für fehlerfreie Notabschaltung und verhindern unnötige Unterbrechungen des Betriebs Weltweit werden jährlich 5,5 Mrd. Euro in festinstallierte elektrische Ausrüstungen von Schienennetzen investiert. Ein relevanter Teil dessen fließt in Nahverkehrsnetze, in dem ein überdurchschnittliches Wachstum erwartet wird [1]. Dies wird getrieben von der Suche nach Lösungen für die Verkehrsprobleme in Ballungszentren. Auch politische Ziele bezüglich Klimaschutz und Ressourcenschonung begünstigen Investitionen in den öffentlichen Nahverkehr. Hier werden Strecken neu installiert oder erweitert, und auch bestehende Netze auf moderne Technik umgerüstet. Für den Betreiber eines Nahverkehrsnetzes hat ein unterbrechungsfreier, sicherer Betrieb eine hohe Priorität. Daher werden an die eingesetzte Technik hohe Anforderungen gestellt. Abbildung 1: Schaltfeld der Bahnstromversorgung mit Strom- und Spannungsmessung Armaturen Sensoren Laborgeräte Batteriegeräte Analysenmeßtechnik Anzeiger Trennverstärker Meßumformer Autor: Holger Blaak Zum Schutz der Stromversorgungsanlagen in Nahverkehrsnetzen sind Überwachungseinrichtungen erforderlich, die im Fehlerfall eine Notabschaltung auslösen. Die Schutzsysteme haben eine wichtige Rolle beim Betrieb der Netze. Sie sorgen für Sicherheit von Personen und schützen die Anlagen vor Beschädigung. Damit sie zuverlässig funktionieren können, sind sie auf die präzise Messung der elektrischen Kenngrößen angewiesen, da deren Analyse die Fehlerdetektion erst ermöglicht. Die Verhältnisse in der Bahntechnik sorgen dabei für spezielle Anforderungen an die Meßtechnik. Der Einsatz von gezielt auf die Meßaufgabe zugeschnittenen Produkten sorgt für einen hohen Grad an Sicherheit, ohne daß die Verfügbarkeit der Netze unnötig eingeschränkt wird. Sicherheit und Verfügbarkeit sind wichtige und manchmal schwer zu vereinbarende Forderungen. Der Aufbau der Systeme und ihre Wirkungsweise soll hier im Detail beleuchtet werden. Optimale Lösungen werden abgeleitet. Knick-Wandler der Serie P40000 sind insbesondere für die Anforderungen bei der Überwachung der Bahnstromversorgung ausgelegt worden. Eigenschaften wie hohe Isolation gemäß der Bahnnorm EN 50124, genaue Signalübertragung mit geringster Verzögerung und eine besonders hohe Gleichtaktunterdrückung ermöglichen den Einsatz in Schutzsystemen der Bahnstromversorgung und sind mitverantwortlich für einen hohen Grad an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Netze. Durch die Flexibilität der Produkte mit Weitbereichsnetzteil und kalibriert umschaltbaren Eingängen kann zudem die Lagerhaltung stark vereinfacht werden, da mit nur einem Gerät alle anfallenden Stromoder Spannungsmeßaufgaben gelöst werden können. AC Mittelspannung AC Schaltanlage + ~ – + ~ – Gerüstschlußschutz DC Schaltanlage GleichrichterLeistungsschalter Streckenschalter zum nächsten Einspeisepunkt mit Streckenschalter Abbildung 2: T ypisches Unterwerk zur DC-Versorgung von Nahverkehrssystemen Nach Newnes Electrical Power Engineer's Handbook, D. F. Warne DC Spannungs-Sensor Prüfeinrichtung (Leitungstest) DC Stromsensor zum nächsten Einspeisepunkt mit Streckenschalter Armaturen Sensoren Laborgeräte Batteriegeräte Analysenmeßtechnik Anzeiger Trennverstärker Meßumformer White Paper Seite 2 ,, Systemaufbau und Systemauslegung In Systemen des Personennahverkehrs wie U-Bahn, S-Bahn und Straßenbahn ist eine Gleichstromversorgung der Fahrzeuge gebräuchlich. Die Versorgungsspannungen liegen zwischen 600 und 3000 V DC. Die bereitgestellte elektrische Leistung pro Streckenabschnitt liegt im MW-Bereich. Zum Schutz von Personen und Einrichtungen müssen Überwachungssysteme installiert werden, die im Fehlerfall eine Notabschaltung auslösen. Die Anforderungen an diese Überwachungssysteme zur Fehlererkennung sind hoch: Eine falsch negative Bewertung, also ein nicht-detektierter Kurzschluß, kann bei der bereitgestellten, hohen elektrischen Leistung zu einer erheblichen Gefährdung von Personen und zur Zerstörung von Anlagenteilen führen. Demzufolge muß die Fehlerdetektion in jedem Fall hinreichend sensitiv sein, um sicherzustellen, daß kein Fehler unbemerkt bleibt und jederzeit sicher abgeschaltet wird. Allerdings könnte eine hohe Sensitivität auch zu einer vermehrten, falsch positiven Bewertung führen. Das heißt, es würde eine Notabschaltung erfolgen, obwohl kein Fehler vorliegt. Der Zugbetrieb wäre unnötig unterbrochen. Auch dieser Fall hat, unschwer erkennbar, gravierende Folgen für den Bahnbetrieb und soll so weit wie möglich vermieden werden. Die Spezifität der Fehlererkennung ist demzufolge annähernd so wichtig wie die Sensitivität. Gefordert werden Überwachungssysteme mit hoher Sensitivität und hoher Spezifität der Fehlerdetektion, um Gefahren auszuschließen, aber gleichzeitig eine hohe Verfügbarkeit der Bahneinrichtung zu erzielen. Für die Fehler- und Zustandserkennung werden verschiedene Algorithmen eingesetzt. Diese basieren vor allem auf der Analyse der elektrischen Kenndaten die Form des Fehlerstroms analysiert. Dazu wird die Strom-Anstiegsgeschwindigkeit dI/dt erfaßt und zur Diskriminierung von Anfahrströmen und Kurzschlußströmen ausgewertet. Die dI/dt-Analyse setzt aber voraus, daß der Strom vom Meßgerät hinreichend schnell und genau gemessen und für die Analyse bereitgestellt werden kann. Denn die Änderungsgeschwindigkeiten sind zwar unterschiedlich, aber nicht drastisch verschieden. Um den Stromanstieg hinreichend gut abbilden zu können, ist in der Regel eine Grenzfrequenz von > 5 kHz für das Meßgerät erforderlich. Die Verzögerungszeit (T90-Zeit) sollte nicht deutlich größer als 100µs sein. Eine noch schnellere Erfassung wird nicht benötigt. an den Einspeisepunkten. In ausgedehnten Netzen erfolgt die Einspeisung der elektrischen Energie durch über das Netz verteilte Unterwerke. Diese bedienen oft mehrere Einspeisepunkte, über die die Energie in die Fahrleitung eingeleitet wird. An den Einspeisepunkten sind die Überwachungs- und Schutzeinrichtungen installiert. Je nach Überwachungsaufgabe wird die Höhe des Stroms mit einem DC-Sensor (EN 50123-1) gemessen wie auch seine Änderungsgeschwindigkeit. Gegebenenfalls wird die Spannung erfaßt. Diese Daten werden kontinuierlich im Schutzgerät analysiert. Wird das Vorliegen eines Fehlers festgestellt, so löst das Schutzgerät die Betätigung des zugehörigen Leistungsschalters unter Last aus. Der Stromfluß und damit Energieeintrag an diesem Einspeisepunkt wird unterbrochen. Für die Strommessung nennt die EN 50123 ein gebräuchliches und bewährtes Verfahren, bei dem die an einem in den Strompfad eingeschleiften Ohmschen Nebenwiderstand (Shunt) abfallende Spannung gemessen wird. Diese Spannung - in der Praxis etwa ±60 bis etwa ±150 mV - ist proportional zum fließenden Strom. Um die Leistung und damit die Wärmeentwicklung im Je nach Art und Ort des Fehlers sowie dem Zeitpunkt nach dem Auftreten des Fehlers sind Anfahrstrom und Fehlerstrom von vergleichbarer Größe. Oft ist daher eine reine Überwachung der Stromhöhe nicht ausreichend. Gemäß EN 50123-7-1 (IEC 61 992-7-1) wird Sammelschiene 600 – 3000 V DC Leistungsschalter nächster Speisepunkt Stromsensor 60 mV / 2500 A Fahrleitung Spannungssensor ± 20 mA 20 ... 253 V AC/DC Hilfsenergie Abbildung 3: Unterwerk Speisepunkt Streckenschutzgerät 20 mA Fahrschiene 20 ... 253 V AC/DC Hilfsenergie Armaturen Sensoren Laborgeräte Batteriegeräte Analysenmeßtechnik Anzeiger Trennverstärker Meßumformer White Paper Seite 3 Nebenwiderstand gering zu halten, werden kleine Shunt-Spannungen bevorzugt. Die damit einhergehende kleinere Leistung kann in einem Nebenwiderstand mit geringeren Abmessungen realisiert werden. Um kompakte Anlagen bauen zu können, werden daher häufig 60 mV-Nebenwiderstände eingesetzt. Deutlich kleinere ShuntSpannungen würden die Messung erschweren. Deutlich größere Spannungen bedeuten eine zu große Wärmeentwicklung oder zu große Nebenwiderstände. Shunt-Spannungen in der genannten Größenordnung stellen also einen geeigneten Kompromiß dar. Aus praktischen Gründen werden einfache Hall-Wandler als Alternative abgelehnt, wenn z.B. ein schlechtes Langzeitverhalten (Ungenauigkeit / Drift / Temperaturabhängigkeit) nicht toleriert werden kann. Die Spannung wird in der Regel direkt von einem Meßgerät mit Spannungsteiler erfaßt. Das Verfahren ist in der EN 50123 genannt. Nach galvanischer Trennung der erfaßten Signale werden sie universell als elektrisches Normsignal (EN 50123) zur Schutz- und Auslösevorrichtung übertragen, die die Algorithmen zur Signalauswertung ausführt, und im Fehlerfall die Notabschaltung über den Leistungsschalter einleitet. Gelegentlich kommen herstellerspezifische Signale, z.B. über eine Glasfaserverbindung, zum Einsatz, unter Umständen mit nachfolgend erneuter Wandlung in Normsignale. NominalSpannung Höchste permanente Spannung Höchste nichtpermanente Spannung (300 s) Un 600 V 750 V 1500 V 3000 V Umax1 720 V 900 V 1800 V 3600 V Umax2 800 V 1000 V 1950 V 3900 V Armaturen Sensoren Laborgeräte Batteriegeräte Analysenmeßtechnik Anzeiger Trennverstärker Meßumformer White Paper Seite 4 Tabelle 1: N ominal-Spannung und höchste permanente Spannung in Bahnanwendungen (EN 50163 Ausgang Eingang UA UGL Gleichtaktstörsignal UA = 1000 VSS, tS = 1 µs Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) = Differenzspannungsverstärkung Gleichtaktspannungsverstärkung Transient Common-Mode Rejection Ratio (T-CMRR) = Differenz-Gleichspannungsverstärkung Gleichtakttransienten-Scheitelverstärkung Abbildung 4: Messung der Gleichtaktunterdrückung UA [V] 6 4 2 0 0 0,3 0,6 0,9 1,2 , Ausgang Trennverstärker mit niedriger Gleichtaktunterdrückung , Ausgang Knick-Trennverstärker Abbildung 5: S teile Flanken von Gleichtaktbelastungen können zu Fehlauslösung von Leistungsschaltern führen. Eine hohe Gleichtaktunterdrückung ist erforderlich. Zeit [ms] ,, Anforderungen an die Stromund Spannungs-Messung / Auswahlkriterien Isolation und galvanische Trennung bei hohen DC-Spannungen Als grundlegende Anforderung ist bei der Strom- und Spannungsmessung auf eine hinreichende Isolierung und galvanische Trennung (Isolationskoordination) zu achten, um eine eventuelle Zerstörung des Meßgerätes und des nachgeschalteten Schutzgerätes auszuschließen. Für den europäischen Bahnbereich ist die BemessungsIsolationsspannung UNm nach EN 50124-1 ausschlaggebend, die insbesondere Mindestabstände für Luft- und Kriechstrecken vorschreibt. Bei der Anwendung muss die BemessungsIsolationsspannung des Meßgerätes größer sein, als die im Betrieb maximal auftretende Spannung. Gemäß EN 50124-1 ist Bemessungs-Isolationsspannung UNm größer oder gleich der größten permanenten Spannung Umax1. Allerdings sind auch hohe nicht-permanente Spannungen zu berücksichtigen (Umax2), wenn deren Auftreten wahrscheinlich ist. Zum Beispiel bei der Rückspeisung von Strom durch bremsende Bahnen kann die Spannung deutlich über die Nennspannung Un ansteigen. Die Meßeinrichtung muß auch der erhöhten Spannungen standhalten. Sollen Personen vor elektrischem Schlag geschützt werden, so ist eine zusätzliche bzw. doppelte Isolierung erforderlich. Die Sicherheitsmarge ist dann ≥100%. DC-Sensoren wie P40000 von Knick sind für die Speisespannungen von Bahnnetzen gemäß EN 50163 ausgelegt. Sie decken alle Spannungen bis Un = 3000 V DC ab und stellen die Isolation bis zur höchsten, nicht-permanent erwarteten Spannung Umax2 von 3900 V AC/DC auch dauerhaft sicher. Störungsfreier Betrieb auch bei schnellen Spannungsschwankungen Die Verhältnisse der Bahnanwendung bedingen oft hohe Gleichtaktstörungen, so daß die geforderte Gleichtaktunterdrückung für den StromSensor gleichermaßen hoch sein muß. Gleichtaktstörungen resultieren aus Spannungsschwankungen, die unter anderem durch wechselnde Belastungen und Schaltvorgänge hervorgerufen werden und sich z.B. über die Sammelschiene im Versorgungsnetz ausbreiten können. Die sprunghafte Änderung der Spannung als Gleichtaktbelastung erzeugt ein Impuls-Artefakt im Ausgangssignal des Stromsensors, das dann zu einer fälschlichen Auslösung der Notabschaltung führen kann. Für die Eignung als Wandler für DC-StromSensoren ist besonderes Augenmerk auf die Höhe der Gleichtaktunterdrückung zu legen. Die quantitative Angabe der Gleichtaktunterdrückung wird nicht von den Bahnnormen gefordert. Schnelle Spannungsschwankungen sind nach EN 50163 für Bahnnetze als inhärenter Teil solcher Systeme zu erwarten. Bezüglich der Strommessung wirken sie sich als Gleichtaktstörung aus und haben dabei eine relevante Bedeutung für die Funktion der Schutz- und Auslösevorrichtung. Eine schlechte Gleichtaktunterdrückung eines DC-Sensors kann zu vermehrten Fehlauslösungen der Schutzeinrichtung führen mit entsprechender Störung des Bahnverkehrs (Stillstand). Die unerwünschte Wirkung von Gleichtaktspannungen auf den Signalausgang (Gleichtaktstörung) existiert prinzipiell in jedem DC-Sensor. Sie ist aber durch geeignete Sensor-Gestaltung soweit minimierbar, daß die einwandfreie Funktion nicht gestört wird. I Iss S Zuganfahrstrom Fernfehlerstrom Td Tc Iss Tc T Endwert des Fehlerstroms S di/dt-Einstellung des Relais Zeitkonstante des Fehlers Td Zeitverzögerungseinstellung des Relais Abbildung 6 : Beispiel für die Stromanstiegserkennung (EN 50123-7-1 / IEC 61992-1) Armaturen Sensoren Laborgeräte Batteriegeräte Analysenmeßtechnik Anzeiger Trennverstärker Meßumformer White Paper Seite 5 Bei fehlenden Angaben fällt für den Systemplaner die Produktauswahl allerdings schwer. Für die Knick-Wandler der Serie P40000, die für diese Meßaufgabe optimiert wurden, wird die Gleichtaktunterdrückung sowohl für langsame wie auch für schnelle GleichtaktBelastungen angegeben. DC oder 50-Hz-Gleichtaktstörungen werden mit 150 dB gedämpft (CMRR), für schnelle 1000V-1µs-Impulse werden immer noch 115 dB erreicht (T-CMRR). Die Produkte haben in Tausenden von Einsätzen in der Bahnstromversorgung ihre Praxistauglichkeit bewiesen und sorgen durch minimale Gleichtaktbeeinflussung für störungsfreien Betrieb. Abbildung 7: DC-Sensor mit kalibrierter Umschaltung von Ein- und Ausgangsbereichen Präzise Signalabbildung für fehlerfreie Überwachung Hohe Genauigkeitsforderungen für präzise Analyse Zur Differenzierung von Fehlerzuständen (Kurzschluß) und normalem Bahnbetrieb (Anfahrstrom) wird, wie oben beschrieben, in der Überwachungseinrichtung für die Notabschaltung die Stromänderungsgeschwindigkeit dI/ dt bewertet, um die unterschiedlichen Stromverläufe zu detektieren. Da die Unterschiede eher klein sind, ist eine unverfälschte Abbildung auch bei schnellen Änderungen unabdingbar. Dazu muß der Stromverlauf unverfälscht vom Eingang auf den Ausgang abgebildet werden. Damit dies gelingt, darf nicht nur ein DC-Signal übertragen werden, sondern es müssen die eine Änderung repräsentierenden höheren Frequenzen ebenfalls auf den Ausgang abgebildet werden. Charakterisiert wird diese Eigenschaft des Strom-Sensors gemäß EN 50123-7-1 als obere Grenzfrequenz, die mindestens 1 kHz nach Norm reichen muß. In der Praxis werden noch etwas höhere Werte gefordert, um typische Stromverläufe genau abbilden und zweifelsfrei auswerten zu können. Die Auswertung der kritischen Kenngrößen Stromhöhe, Stromänderungsgeschwindigkeit und Spannunghöhe soll mit möglichst geringem Meßfehler erfolgen. Nur so ist sicherzustellen, daß die Auswertungsalgorithmen der Überwachungseinrichtung einen Fehler mit hoher Sensitivität und Spezifität ermitteln können. Bei der Produktauswahl ist z.B. zu beachten, in welcher Form und Differenzierung Meßfehlers angegeben werden. Maximalwerte oder typische Werte des Fehler unterscheiden sich ggf. signifikant. In der Praxis kann der Temperatur-Koeffizient einen deutlich höheren Fehler verursachen als der Fehler, der für Normalbedingungen angegeben ist. Gemäß EN 50123 ist ein eventuell entstehender Offset nach der Messung eines (hohen) Primärstroms anzugeben. Remanenzen können hier zu Fehlern führen. Die Herstellerangaben müssen genau betrachtet werden, um sachgerechte Entscheidungen treffen zu können. Fettgedruckte Teilfehler sollten nicht von der Ermittlung des Gesamtfehlers ablenken. In der Praxis muß sich die Meßfunktion bewähren. Die DC-Sensoren P40000 haben eine obere Grenzfrequenz (3-dB-Grenze) von 5 kHz und erfüllen damit die Anforderungen an die Abbildungsqualität der im Bahnbetrieb auftretenden Stromverläufe. Kurzschlußfehler können sicher erkannt werden. Reguläre Stromänderungen beim Anfahren oder bei Lastwechseln werden als solche erkannt und führen nicht zur Auslösung der Sicherheitsabschaltung. Der reguläre Zugbetrieb bleibt ungestört. Mit einem Verstärkungsfehler < 0,1% vom Meßwert und einem Offset < 0,1% vom Endwert ist der DCSensor P41000 sehr gut für die Meßaufgabe geeignet. Auch der TK ist mit 0,005%/K im Vergleich zu üblichen Auslegungen gering. Armaturen Sensoren Laborgeräte Batteriegeräte Analysenmeßtechnik Anzeiger Trennverstärker Meßumformer White Paper Seite 6 Vereinfachte Lagerhaltung durch flexible Mehrbereichssensoren mit Universalnetzteil Je nach Meßaufgabe und Randbedingung in der konkreten Anwendung werden unterschiedliche Forderungen an Eingangsbereiche, Ausgangssignale und die Hilfsenergieversorgung für die DC-Sensoren gestellt. Vorteile für Ausrüster und Nahverkehrs-Netzbetreiber bieten hier DC-Sensoren, die in einem Gerät mehrere Ein-/AusgangssignalKombinationen umschaltbar bereitstellen. Dann müssen Produkte nicht erst bei konkretem Bedarf bestellt werden, sondern die wenigen Typen können mit geringem Aufwand am Lager vorgehalten werden. Bei Bedarf wird das Produkt durch einen Schalter auf den benötigten Bereich eingestellt werden. Ein echter Vorteil ist dies nur, wenn die Umschaltung kalibriert erfolgt, d.h. wenn nach dem Umschalten kein Abgleich erforderlich ist, sondern die Genauigkeit erhalten bleibt. Ein verbautes Weitbereichsnetzteil, das quasi beliebige Hilfsspannungen zuläßt, erhöht die Flexibilität zusätzlich und reduziert noch einmal die Typenvielfalt bei der Lagerhaltung. Mit den P40000 sind solche Geräte für den Einsatz in der Bahnstromversorgung verfügbar. Bis zu 16 kalibrierte Ein- und Ausgangsbereiche sind in einem Produkt wählbar. Die Bereiche können vom Anwender vorgegeben werden. Hilfsspannungen zwischen 20 und 253 V DC und AC werden von jedem Gerät akzeptiert, so dass auch dadurch keine Produkt-Varianten entstehen. Eine Lagerhaltung wird so sehr einfach. Lieferzeiten verlieren so ihre hemmende Wirkung bei der Anlagenproduktion. ,, Zusammenfassung Ein jederzeit sicherer und möglichst störungsfreier Bahnbetrieb hängt auch von einwandfrei arbeitenden Überwachungseinrichtungen ab. Messungen von Strom und Spannung in der Bahnstromversorgung liefern den Input für die Auswertungen in der Schutzeinrichtung. Die Analyse der Information ist inhaltlich anspruchsvoll, die Auswirkung kritisch. Eine fehlerhafte Auswertung kann Personen und Anlagen gefährden, sollte ein Fehlerzustand unerkannt bleiben. Umgekehrt hat ein falsch erkannter Fehler erhebliche Auswirkungen auf den Bahnbetrieb. Daher werden eine hohe Sensitivität und Spezifität der Fehlererkennung gefordert. Die besonderen Bedingungen im Bahnbereich stellen hohe Anforderungen an die eingesetzte Technik. Normative und insbesondere funktionale Anforderungen werden durch hochwertige und speziell auf die Aufgabe hin entwickelte Meßgeräte erfüllt. Dabei spielen insbesondere die Isolation, die Gleichtaktunterdrückung, die Genauigkeit und die Grenzfrequenz eine wichtige Rolle. Jede einzelne Eigenschaft muß einwandfrei zur Meßaufgabe passen, damit die Gesamtaufgabe zuverlässig gelöst wird. Die Meßumformer der Reihe P40000 von Knick erfüllen die hohen technischen Anforderungen in jedem Punkt. Sie sind besonders für den Einsatz im Bahnbereich ausgelegt und haben in tausenden Anwendungen ihre Praxistauglichkeit bewiesen. Im Wettbewerb bestehen die Produkte außerdem durch besondere Wirtschaftlichkeit. Die universelle Auslegung mit Bereichsumschaltung und Universalversorgung ermöglicht eine drastische Reduzierung der Typenvielfalt und dadurch eine wirtschaftliche Lagerhaltung. Planerische, zeitliche und logistische Vorteile ermöglichen den Projekteinsatz der Geräte bei signifikant minimiertem Aufwand. (1) Pressemitteilung SCI Verkehr 16.11.2009 Armaturen Sensoren Laborgeräte Batteriegeräte Analysenmeßtechnik Anzeiger Trennverstärker Meßumformer White Paper Seite 7 Armaturen Sensoren Laborgeräte Batteriegeräte Analysenmeßtechnik Anzeiger Trennverstärker Meßumformer Knick Elektronische Messgeräte GmbH & Co. KG Beuckestraße 22, 14163 Berlin Telefon: +49 (0)30 - 801 91 - 0 Telefax: +49 (0)30 - 801 91 - 200 [email protected] · www.knick.de White Paper Bahn 1111 d
